Интермодуляция

Частотный спектр график , показывающий интермодуляционный между двумя сигналами инжектированных при 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 снижениюв 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 ( ИМ ) или интермодуляционные искажения ( ИМИ ) является амплитудой модуляции из сигналов , содержащих два или более различных частот , вызванной нелинейностью или временной дисперсией в системе. Интермодуляция между частотными составляющими будет формировать дополнительные составляющие на частотах, которые не только находятся на гармонических частотах ( целых кратных ) любой из них, например, гармонические искажения , но также на суммах и разностных частотах исходных частот, а также на суммах и разностях, кратных этим частотам. частоты.

Интермодуляция вызвана нелинейным поведением используемой обработки сигнала (физического оборудования или даже алгоритмов). Теоретический результат этих нелинейность может быть вычислен путем генерации серии вольтеррова из характеристики, или больше примерно в ряде Тейлора . ^[1]

Практически все звуковое оборудование имеет некоторую нелинейность, поэтому оно будет демонстрировать некоторое количество интермодуляционных искажений, которые, однако, могут быть достаточно низкими, чтобы их не заметили люди. Из-за характеристик слуховой системы человека тот же процент IMD воспринимается как более неприятный по сравнению с таким же количеством гармонических искажений. ^[2]^[3]^{[ сомнительно - обсудить ]}

Интермодуляция также обычно нежелательна в радио, поскольку она создает нежелательные побочные излучения , часто в форме боковых полос . Для радиопередач это увеличивает занимаемую полосу пропускания, что приводит к помехам по соседнему каналу , что может снизить четкость звука или увеличить использование спектра.

IMD отличается от гармонических искажений только тем, что сигнал стимула отличается. Одна и та же нелинейная система будет производить как полное гармоническое искажение (с одиночной синусоидой на входе), так и IMD (с более сложными тонами). В музыке, например, IMD является преднамеренно применяется для электрических гитар с использованием перегруженных усилителей или педалей эффектов для получения новых тонов на суб гармоник тонов , которую играет на инструменте. См. Power chord # Анализ .

Интермодуляционные искажения также отличаются от преднамеренной модуляции (такой как частотный смеситель в супергетеродинных приемниках ), где сигналы, которые должны быть модулированы, передаются на преднамеренный нелинейный элемент ( умножаются ). См. Нелинейные смесители, такие как смесительные диоды и даже схемы смесителя-генератора с одним транзистором . 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 [ править ]

Линейная система не может создавать интермодуляции. Если вход линейной системы, не зависящей от времени , представляет собой сигнал одной частоты, то выход 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, что означает, что если вход нелинейной системы является сигналом одной частоты, то выход представляет собой сигнал, который включает в себя ряд 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 вход в нелинейную систему состоит из двух или более частот. Рассмотрим входной сигнал , который содержит три частотные составляющие в , 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 составляющих соответственно. ${\ Displaystyle \ M}$ ${\ displaystyle \ \ phi}$

Мы получаем наш выходной сигнал, передавая наш вход через нелинейную функцию : ${\ Displaystyle \ у (т)}$ ${\ displaystyle G}$

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

${\ Displaystyle \ у (т)}$ будет содержать три частоты входного сигнала, , , и (которые известны как основные частоты), а также количество линейных комбинаций из основных частот, каждый из формы ${\ displaystyle ~ f_ {a}}$ ${\ displaystyle ~ f_ {b}}$ ${\ displaystyle ~ f_ {c}}$

{\ 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 различную амплитуду и фазу, что 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 компонентов , выходной сигнал будет содержать несколько частотных компонентов, каждая из которых может быть описана следующим образом: ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle f_ {a}, f_ {b}, \ ldots, f_ {N}}$

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

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

Порядок интермодуляции [ править ]

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

Порядок данного интермодуляционного продукта является суммой абсолютных значений коэффициентов, ${\ Displaystyle \ O}$

\ 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 : $\ |k_{a}|+|k_{b}|+|k_{c}|=3$

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

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 от третьего порядка ( IMD3 ) схемы можно увидеть, посмотрев на сигнал, который состоит из двух синусоидальных волн , одной at и одной at . Когда вы складываете в куб сумму этих синусоидальных волн, вы получаете синусоиды на различных частотах, включая и . Если и большие, но очень близко друг к другу, тогда и будет очень близко к и . $f_{1}$ $f_{2}$ $2\times f_{2}-f_{1}$ $2\times f_{1}-f_{2}$ $f_{1}$ $f_{2}$ $2\times f_{2}-f_{1}$ $2\times f_{1}-f_{2}$ $f_{1}$ $f_{2}$

Пассивная интермодуляция (PIM) [ править ]

В этом разделе не процитировать любые источники . Пожалуйста, помогите улучшить этот раздел , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален . ( Декабрь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Как объяснялось в предыдущем разделе , интермодуляция может возникать только в нелинейных системах. Нелинейные системы обычно состоят из активных компонентов, 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 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 при 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 [ править ]

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 производственными дефектами, 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 из двух гальванически несопоставимых металлов 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 [ править ]

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 [ править ]

Искажения, индуцированные нарастанием (SID), могут вызывать интермодуляционные искажения (IMD), когда первый сигнал вращается (изменяет напряжение) на пределе, равном произведению ширины полосы мощности 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 [ править ]

Интермодуляционные искажения в аудио обычно указываются как среднеквадратичное значение (RMS) различных сигналов с суммой и разностью в процентах от RMS напряжения исходного сигнала, хотя оно может быть определено в терминах силы отдельных компонентов в децибелах , как это обычно бывает с РФ . Стандартные тесты аудио IMD включают стандарт SMPTE RP120-1994 ^{[6], в} котором для теста 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 относительно 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 могут быть измерены с помощью электронного фильтра для удаления исходных частот, или спектральный анализ может быть выполнен с использованием преобразований Фурье в программном обеспечении или специализированном анализаторе спектра , или при определении интермодуляции. эффекты в коммуникационном оборудовании могут быть выполнены с помощью самого тестируемого приемника.

В радиоприложениях 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.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

^ Руфаэль, Тони Дж. (2014). Архитектура и дизайн беспроводных приемников: антенны, ВЧ, синтезаторы, смешанный сигнал и цифровая обработка сигналов . Академическая пресса. п. 244. ISBN 9780123786418.
^ Фрэнсис Рамси; Тим Маккормик (2012). Звук и запись: Введение (5-е изд.). Focal Press. п. 538. ISBN 978-1-136-12509-6.
^ Гэри Дэвис; Ральф Джонс (1989). Справочник по звукоусилению (2-е изд.). Корпорация Yamaha / Hal Leonard. п. 85 . ISBN 978-0-88188-900-0.
^ Пассивные интермодуляционные помехи в системах связи, PL Lui, Electronics & Communication Engineering Journal, Год: 1990, Том: 2, Выпуск: 3, Страницы: 109 - 118.
^ «Характеристики пассивной интермодуляции», М. Эрон, Microwave Journal, март 2014 г.
^ a b Справочник профессионального аудио AES для обмена мгновенными сообщениями
^ http://www.leonaudio.com.au/3-4.ratio.distortion.measurement.pdf Грэм Джон Коэн: соотношение 3-4; Метод измерения продуктов искажения

Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )

Внешние ссылки [ править ]

Ллойд Батлер (1997). «Интермодуляционные характеристики и измерение интермодуляционных составляющих» . VK5BR . «Любительское радио» Август 1997 . Проверено 30 января 2012 года .
Измерение различных интермодуляционных искажений (IMD, TD + N, DIM) с использованием нескольких приборов

[1] Руфаэль, Тони Дж. (2014). Архитектура и дизайн 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 звукоусилению (2-е изд.). Корпорация Yamaha / Hal Leonard. п. 85 . ISBN 978-0-88188-900-0.

[4] Пассивные интермодуляционные помехи в системах связи, PL Lui, Electronics & Communication Engineering Journal, Год: 1990, Том: 2, Выпуск: 3, Страницы: 109 - 118.

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

[AES-6] Справочник профессионального аудио AES для обмена мгновенными сообщениями

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

[1]