1 概述

互調(IM，InterModulation)是指當兩個或多個頻率信號經(jīng)過具有非線性特征的器件時產(chǎn)生的與原信號有和差關系的射頻信號，又稱互調產(chǎn)物、交調或交調產(chǎn)物。為了提升系統(tǒng)容量，通信系統(tǒng)中同時采用多個載波(頻點)的現(xiàn)象非常普遍，而且載波功率也有逐漸加大的趨勢;考慮到實際電路通常都具備非線性特點，互調及互調干擾成為常見現(xiàn)象，在蜂窩移動通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)、集群移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、艦船通信系統(tǒng)等系統(tǒng)、民航通信系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)等系統(tǒng)中都有發(fā)現(xiàn)并引起廣泛注意。

互調一般分成有源互調和無源互調兩種。鑒于所產(chǎn)生互調產(chǎn)物的嚴重程度，傳統(tǒng)上人們主要關注有源互調，但隨著更大功率發(fā)射機的應用和接收機靈敏度的不斷提高，無源互調產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴重，因此越來越被運營商、系統(tǒng)制造商和器件制造商所關注。文獻[1]對比了有源互調和無源互調的特征：

有源互調的特點：(1)有源電路的非線性相對固定，不隨時間而變化;(2)分析理論相對成熟;指標明確，規(guī)范均能給出明確指標要求;(3)傳輸方向相對穩(wěn)定;(3)可通過增加帶通/帶阻濾波器或改善濾波器性能加以抑制，高階互調干擾幾近忽略。

無源互調的特點：(1)隨功率而變，美國安費諾公司的實驗證實，輸入功率每增大1dBm，PIM產(chǎn)生電平變化約3 dBm;(2)隨時間而變。材料表面氧化、連接處接觸壓力、電纜彎曲程度等均會隨時間發(fā)生改變，進而影響非線性程度。(3)研究理論滯后，仿真研究手段未有實質突破，離工程化尚有相當距離。(4)產(chǎn)生環(huán)節(jié)多，傳輸方向非單一，難以抑制。(5)存在高階互調。

資助信息：本文受國家“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”重大專項“TD-LTE網(wǎng)絡優(yōu)化工具開發(fā)”(2010ZX03002-008)項目資助

2  互調的產(chǎn)生機制[1][2]

2.1諧波的產(chǎn)生機制

假設網(wǎng)絡中只有一個單頻信號輸入，輸出信號和輸入信號之間的關系如下：

(1)

上式中， 為直流項， 為線性放大項， 、 等高次冪項系數(shù)非零時，輸出信號就會出現(xiàn)非線性增大失真，即通常所說的諧波和互調干擾。單頻信號經(jīng)過接收機等處理后，輸出信號常常會伴有N倍頻率的信號，這就是所謂的N次諧波。

假設輸入一個單頻正弦波，

代入泰勒展開式中，展開式右邊的2次冪項為：

(2)

上式出現(xiàn)了2倍頻信號( )，即通常稱作的2次諧波干擾信號;同樣地，展開式右邊的3次冪項可以得到3次諧波干擾信號-----。

2.2互調的產(chǎn)生機制

假設網(wǎng)絡中兩個單頻信號輸入，那么此時產(chǎn)生的干擾除了諧波外，還有互調。

(3)

A.2階互調的推導

泰勒展開式展開后的2次冪項為：

(4)

上式中， 和 數(shù)學變換后得到的是上面已經(jīng)介紹過的2次諧波干擾信號，而 經(jīng)過三角變換后得到：

(5)

此式中的后兩項即是所謂的2階互調項，信號頻率分別是： 和 。

B.3階互調的推導

兩個標準正弦信號代入泰勒展開式后的3次冪項為：

(6)

上式中， 和 數(shù)學變換后引起的是3次諧波項，而 經(jīng)過三角變換后得到：

(7)

此式中的后兩項即是所謂的3階互調項，信號頻率分別是：2f0-f1和2f0+f1。

同樣， 也可以經(jīng)過三角變換得到兩個3階互調項，信號頻率分別是：2f1-f0和2f1+f0。

同樣地，可以得到4階互調項、5階互調項、6階互調項-----。

B.N階互調的一般性定義

將以上雙頻信號互調的分析推廣到多頻，即可得到互調產(chǎn)物在頻率上的一般表達式為 ， 、 、---、 為任意整數(shù)值， 即互調產(chǎn)物的階數(shù)。

一般地，每一對互調產(chǎn)物中的加號項(如f0+f1、2f0+f1)通常超出工作帶寬，只有減號項(如2f0-f1、3f0-2f1)才可能落在工作帶寬附近;并且對于偶數(shù)階的互調產(chǎn)物，其減號項(如f0-f1、2f0-2f1)接近直流項，通常也位于工作帶寬之外。因此，業(yè)界主要關注奇數(shù)階減號項互調。

2.3互調的強度規(guī)律

文獻[4]論證了互調產(chǎn)物漸近下降的特點，即一般認為高階互調產(chǎn)物的強度低于低階互調;但互調產(chǎn)物的強度預測至今仍是一個學術難題，尤其對于無源互調。文獻[4]提出了利用較為容易測量的低階互調產(chǎn)物來預測高階互調的方法，并給出了一組驗證數(shù)據(jù)(表 1)。業(yè)界也有常見結論認為，五階互調一般比三階互調低20dB左右，七階互調比五階互調低約15dB，因此習慣使用低階互調(如三階互調、五階互調和七階互調)來衡量器件的互調性能。

表1. 預測結果與實測結果的比較(dBm)

2.4互調的影響因素

文獻[1]指出：PIM是由器件的非線性引起的。非線性有3種可能的主要模式，一類為接觸非線性，另一類為材料非線性，還有一類就是工藝非線性。接觸非線性表示任何具有非線性電流與電壓行為的接觸，如彎折不勻的同軸電纜、不盡平整的波導法蘭盤、松動的調諧螺絲、松動的鉚接、氧化和腐蝕的接觸等;材料非線性指具有固有非線性電特性的材料，如鐵磁材料和碳纖維等;后者指因加工工藝引起的電傳輸非線性。

通過對天線的互調干擾的測試過程和測試結果的分析，文獻[5]認為減小天線在大功率下呈現(xiàn)的非線性以降低互調干擾，在天線及饋電的電纜上應該不使用非線性材料，如鐵、鎳等;天線的金屬與金屬的連接應防止松滑，盡量少使用螺紋連接，如果條件允許，最好焊接;由于所測試的天線為同軸電纜饋電，同軸電纜的彎曲程度應該盡量低，以免在電纜的連接處造成較大的應力，形成互調干擾產(chǎn)生的隱患。

3 互調的測試方法

目前，國際上制造三階互調整套測試設備的廠家主要有英國Summitek和德國羅森博格(Rosenberger)等，國內廠家有杭州紫光、鎮(zhèn)江澳華和南京納特等。

3.1互調的兩種測試方法

互調指標的嚴格測試一般在專業(yè)的微波暗室進行，這是因為周邊環(huán)境尤其是鐵磁材料會對結果產(chǎn)生較大影響。具體又分為正向互調(Forward IM)和反向互調(Reverse IM)兩種方式。其中正向互調又稱為傳輸互調(Transfer IM)，反向互調又稱為反射互調(Reflection IM)。這兩者的差異主要體現(xiàn)在其射頻前端模塊的不同，它們的系統(tǒng)框圖如圖 1所示[6]。

圖1. 反向互調(上)和正向互調(下)測量原理

雙工器、濾波器、定向耦合器等器件一般采用正向互調測量方式，天線和負載等器件一般采用反向互調測量方式。對于同一器件的兩種不同測試方式，反射方式的互調產(chǎn)物通常比傳輸方式樂觀。

IEC推薦利用兩個連續(xù)波(CW)信號源對每一個樣本的三階互調產(chǎn)物的功率電平進行測量，在測試端每一個信號源為43dBm(20w)。顯然，這是針對早期的基站而言，直到現(xiàn)在，這個功率等級依然適用于大多數(shù)器件的測量。隨著新的數(shù)字蜂窩通信標準的不斷誕生，出現(xiàn)了更大幅度和更大范圍的功率等級。因此，除了43 dBm以外，還出現(xiàn)了小至26 dBm和大到5l dBm條件下的測量要求[7]。

3.2常見器件的指標要求

互調指標有絕對值和相對值兩種表達方式。絕對值表達方式是指以dBm為單位的互調的絕對值大小;相對值表達方式是指互調值與其中一個載頻的比值(這是因為無源器件的互調失真與載頻功率的大小有關)，用dBc來表示。典型的無源互調指標是在兩個43dBm的載頻功率同時作用到被測器件DUT時，DUT產(chǎn)生-110dBm(絕對值)的無源互調失真，其相對值為-153dBc。

按照背景噪聲為-107dBm的標準估算，參照文獻[8]提供的材料，PIM3:<-120dBc@2*43dBm的無源器件適用于2W/每載波以下(含2W/每載波)的小功率場景，PIM3:<-150dBc@2*43dBm的無源器件適用于于2W/每載波至20W/每載波(含20W/每載波)場景，PIM3:<-160dBc@2*43dBm的無源器件適合于20W/每載波以上的超大功率環(huán)境。

實踐中，天線的三階互調產(chǎn)物一般要求不超過-107dBm，也即-150dBc。定向耦合器、功率分配器、雙工器、連接器和電纜組件等無源器件的其互調產(chǎn)物通常在-120～-100dBm，也即-163～-143dBc;而某些器件的互調產(chǎn)物更大，如鐵氧體器件的互調產(chǎn)物可達-60 dBc甚至更大。對于前一類器件，不要求測量系統(tǒng)的測量范圍太大。目前同類產(chǎn)品的互調測量上限是-65 dBm，也即-108 dBc。對于后一類器件，可以采用通用的頻譜分析儀測量，其測量范圍至少可以達到-150～30 dBm。

干放和直放站等有源設備或器件的互調指標要求分別如表 2和表 3所示。

4互調在移動通信系統(tǒng)中的實際應用

4.1應當注意的系統(tǒng)內與系統(tǒng)間互調干擾

表 4和表5列出了常見移動通信系統(tǒng)的互調干擾情況?？梢钥闯觯袊艷SM900M系統(tǒng)的五階互調和七階互調產(chǎn)物會對本系統(tǒng)形成干擾，同時也會影響到中國聯(lián)通GSM900M系統(tǒng);中國移動DCS1800系統(tǒng)的七階互調產(chǎn)物會對本系統(tǒng)形成干擾;中國電信CDMA800M系統(tǒng)的五階互調和七階互調產(chǎn)物會對中國移動和中國聯(lián)通的GSM900M系統(tǒng)形成干擾。

個別情況下，二階互調產(chǎn)物(F1+F2)也會對其他系統(tǒng)造成影響，比如CDMA800系統(tǒng)的二階互調產(chǎn)物也會對聯(lián)通的GSM1800系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 在多系統(tǒng)合路的通信系統(tǒng)中，三個(含三個)以上頻點經(jīng)過合路器時也可能產(chǎn)生F1+F2-F3形式的三階互調干擾。這使得POI等多系統(tǒng)合路室內分布系統(tǒng)的設計變得困難[8]。

4.1實際工作中天饋線互調干擾的排查方法

從實際經(jīng)驗來看，移動通信系統(tǒng)中需要重點關注互調指標的器件主要有：天線、饋線、直放站、干放、電橋、負載、耦合器等。當前尤以天饋系統(tǒng)互調產(chǎn)物對網(wǎng)絡性能的影響最大。

互調指標的嚴格測試一般在專業(yè)的微波暗室進行，但實際工作中在定位網(wǎng)內干擾時也會借助便攜式互調分析儀(多采用反射模式)，圖 2給出了使用便攜式互調儀現(xiàn)場排查互調干擾的檢測點示意。

圖2. 使用便攜式互調儀現(xiàn)場排查互調干擾的檢測點示意

根據(jù)實際操作的難易程度，通常按照“1-2-3-4-5”的順序開展斷站現(xiàn)場測試。也有經(jīng)驗表明饋線的問題(如接頭制作粗糙或松動、饋線過度彎折等)往往是造成整個天饋系統(tǒng)的常見原因，因此“1-2-3-4-5”的順序也便于首先排除饋線問題?，F(xiàn)場排查時，一般按執(zhí)行比微波按時測試原為寬松的標準，比如要求測試點1的三階互調產(chǎn)物小于-80dBm。現(xiàn)場測試時為保證測試精度，需要注意下列事項：

 保證可靠的連接(包括足夠的接觸壓力，接頭處清潔等)。

 測量互調盡量排除外部干擾的影響 (先掃描外部干擾)。

 互調儀輸出信號功率不能超過器件的額定功率。

 斷開有源器件。

 注意天線的方向以及其覆蓋前方不能有大型金屬物體。

個別系統(tǒng)設備廠家還開發(fā)出互調干擾自動檢測功能，可以粗略判斷干擾惡化是否為網(wǎng)內互調干擾所致。

5結束語

隨著移動互聯(lián)時代的到來，話務量的激增使得控制網(wǎng)內干擾成為移動通信運營商密切關注的重要議題，而互調干擾就是同頻干擾之外的一種重要網(wǎng)內干擾。這就要求網(wǎng)絡規(guī)劃和優(yōu)化人員熟悉互調的產(chǎn)生機制及可能影響，在頻率規(guī)劃時不僅考慮常規(guī)的同頻復用因子外，而且會分析多載波或多系統(tǒng)共存情況下可能產(chǎn)生的互調干擾。此外，便攜式互調測試儀也可以在日常維護工作中定位互調干擾時發(fā)揮一定作用。