基站中的無源交調(diào)(PIM)效應(yīng)：了解挑戰(zhàn)和解決方案

2017-06-18  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

簡介

眾所周知,有源器件會在系統(tǒng)中產(chǎn)生非線性效應(yīng)。人們已開發(fā)出多種技術(shù)來改善此類器件在設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段的性能。容易忽視的是,無源器件也可能引入非線性效應(yīng);雖然有時相對較小,但若不加以校正,這些非線性效應(yīng)可能會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。

PIM表示"無源交調(diào)"。它代表兩個或更多信號通過一個具非線性特性的無源器件傳輸時產(chǎn)生的交調(diào)產(chǎn)物。機(jī)械連接部分的相互作用一般會引起非線性效應(yīng),這在兩種不同金屬的接合處尤為明顯。實(shí)例包括:松動的電纜連接、不干凈的連接器、性能糟糕的雙工器或老化的天線等。

無源交調(diào)在蜂窩通信行業(yè)是一個重大問題,而且非常難以排解。在蜂窩通信系統(tǒng)中,PIM可能引起干擾,降低接收機(jī)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(jī)。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。若有兩個分別位于1940 MHz和1980 MHz的發(fā)射載波從具有PIM的基站系統(tǒng)發(fā)射信號,則其交調(diào)會產(chǎn)生一個位于1900 MHz的分量,該分量落入了接收頻段,這會影響接收機(jī)。此外,位于2020 MHz的交調(diào)可能影響其他系統(tǒng)。

圖1.無源交調(diào),落到接收機(jī)頻段

隨著頻譜變得越來越擁擠,并且天線共享方案變得越來越普遍,不同載波的交調(diào)產(chǎn)生PIM的可能性也在增加。利用頻率規(guī)劃避免PIM的傳統(tǒng)方法變得越來越不可行。除上述挑戰(zhàn)外,CDMA/OFDM等新型數(shù)字調(diào)制方案的采用意味著通信系統(tǒng)的峰值功率也在提高,使PIM問題"雪上加霜"。

對服務(wù)提供商和設(shè)備供應(yīng)商而言,PIM是一個突出的嚴(yán)重問題。檢測并盡可能解決該問題,可提高系統(tǒng)可靠性并降低運(yùn)行成本。本文嘗試評述PIM的來源和原因,以及予以檢測和解決的技術(shù)。

PIM分類

初步的調(diào)查顯示,PIM有三種不同類型,每類有不同的特點(diǎn),需要不同的解決方案。我們選擇按如下類型分類:設(shè)計(jì)引入PIM、裝配PIM和銹體PIM。

設(shè)計(jì)引入PIM

我們知道,某些無源器件與其傳輸線路一起會產(chǎn)生無源交調(diào)。因此,當(dāng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時,開發(fā)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)根據(jù)器件制造商給出的規(guī)格,選擇PIM最小或處于可接受水平的無源元件。環(huán)行器、雙工器和開關(guān)特別容易產(chǎn)生PIM效應(yīng)。設(shè)計(jì)人員若能接受較高水平的無源交調(diào),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(shè)計(jì)權(quán)衡:尺寸、功耗、抑制和PIM性能

如果設(shè)計(jì)人員真的選擇性能較低的器件,則相應(yīng)的較高水平交調(diào)可能會落回到接收機(jī)頻段內(nèi),導(dǎo)致接收機(jī)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(dǎo)致接收機(jī)降敏那樣令人關(guān)注。在小型蜂窩無線電設(shè)計(jì)中,此問題尤其重要。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)無源元件PIM的技術(shù)(參見圖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?yàn)樗獣暂d波信息,并且可以使用接收機(jī)相關(guān)性來確定交調(diào)偽像,然后從收到的信號中消除。

當(dāng)不再能利用相關(guān)性確定交調(diào)偽像時,該算法的局限性便開始浮現(xiàn)。圖4顯示了一個實(shí)例。在該例中,兩個不同的發(fā)射機(jī)共享一根天線。如果假設(shè)每條路徑的基帶處理是彼此獨(dú)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(jī)執(zhí)行的相關(guān)性和抵消處理會受限。

圖4.多源共享一根天線

加之于PIM挑戰(zhàn)的復(fù)雜性

站點(diǎn)訪問和成本給服務(wù)提供商帶來了挑戰(zhàn),我們開始發(fā)現(xiàn)越來越多這樣的事例:不同發(fā)射機(jī)共享單根寬帶天線。其架構(gòu)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。在這個例子中,客戶試圖實(shí)現(xiàn)一個復(fù)雜但現(xiàn)實(shí)的配置。一個分支是TDD雙頻,另一分支是FDD單頻,采用一個雙工器。信號匯合起來,共享單根天線。Tx1和Tx2信號之間的無源交調(diào)發(fā)生在來自合并器的路徑中、到天線的傳輸線路中以及天線本身中。所得的交調(diào)偽像落回到FDD接收機(jī)頻段Rx2。

Figure 5. FDD/TDD 單根天線實(shí)現(xiàn)方案

圖6所示為對一個雙頻系統(tǒng)的實(shí)際分析。注意在這個例子中,我們需要考慮三階以上的無源調(diào)制偽像。這種情況下,重點(diǎn)關(guān)注從一個頻段(內(nèi)部)落回到另一個接收機(jī)頻段內(nèi)的交調(diào)偽像。

圖6.多頻PIM問題

裝配PIM

我們把第二類PIM稱為裝配PIM。雖然系統(tǒng)在安裝后可以令人滿意地運(yùn)作,但經(jīng)過一段時間后,由于天氣或初次安裝質(zhì)量糟糕,其性能常常會下降。發(fā)生這種情況時,信號路徑中的無源元件(連接器、電纜、電纜組件、波導(dǎo)組件和元器件等)通常會開始表現(xiàn)出非線性行為。事實(shí)上,某些主要的PIM現(xiàn)象就是由連接器、連接甚至天線本身的饋線引起的。所產(chǎn)生的影響可能與上面討論的設(shè)計(jì)引入PIM相似,因此可以使用同樣的PIM測量理論,該理論專門用于尋找無源交調(diào)產(chǎn)物的存在。

引起裝配PIM的典型因素有:

• 連接器適配接口(通常是N型或DIN7/16)

• 電纜附件(電纜/連接器接合的機(jī)械穩(wěn)定性)

• 材料(建議使用黃銅和銅,鐵磁材料有非線性特性)

• 清潔度(塵土污染或水汽)

• 電纜因素(電纜的質(zhì)量和魯棒性)

• 機(jī)械魯棒性(風(fēng)和振動引起撓曲)

• 電熱感應(yīng)PIM(原因是非恒定包絡(luò)的RF信號消耗的功率隨時間而變化,引起溫度改變,進(jìn)而導(dǎo)致電導(dǎo)率發(fā)生變化)。

溫度變化大、空氣帶有鹽分/受污染或存在過大振動的環(huán)境往往會加重PIM問題。雖然可以使用與針對設(shè)計(jì)引入PIM相同的PIM測量技術(shù),但可以認(rèn)為,裝配PIM的存在表明系統(tǒng)的性能和可靠性均有所降低。若不加以解決,引起PIM的缺陷因素可能會變本加厲,直至整個傳輸路徑發(fā)生故障。對裝配PIM采用PIM抵消方法更像是掩蓋問題而非解決問題。

可以想見,此類情況下,用戶可能并不希望抵消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(tǒng)何處引入的,然后修理或更換特定元件。

我們可以認(rèn)為設(shè)計(jì)引入PIM是可量化且穩(wěn)定的,但上面所述的裝配PIM是不穩(wěn)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100 dB。單次離線掃描可能無法捕捉到此類事例;理想情況下,傳輸線路診斷需要與PIM事件協(xié)同進(jìn)行。

天線之外的PIM(銹體PIM)

PIM并不局限于有線傳輸路徑,也可能發(fā)生在天線之外。該效應(yīng)也被稱為"銹體PIM"。這種情況下,無源交調(diào)發(fā)生在信號離開發(fā)射機(jī)天線之后,所產(chǎn)生的交調(diào)反射回接收機(jī)中。"銹體"這一說法來源于這樣一個事實(shí):很多情況下,交調(diào)源可能是生銹的金屬物件,例如鐵絲網(wǎng)、倉庫或排水管。

金屬物件會引起反射。但在這些情況下,金屬物件不僅會反射收到的信號,而且會產(chǎn)生并輻射交調(diào)偽像。交調(diào)的發(fā)生同在有線信號路徑中一樣,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)生的表面電流會混合并再輻射(參見圖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(jī),而且交調(diào)產(chǎn)物落在接收機(jī)頻段內(nèi),將造成接收機(jī)降敏。

圖7.天線之外或銹體PIM

某些情況下,PIM源可通過天線定位來檢測:一邊改變天線位置,一邊監(jiān)測PIM水平。此外,也可以利用時間延遲估計(jì)來定位PIM源。如果PIM水平穩(wěn)定,則可以利用標(biāo)準(zhǔn)算法抵消技術(shù)來補(bǔ)償PIM。但更多情況下,PIM貢獻(xiàn)受到振動、風(fēng)和機(jī)械運(yùn)動的影響,使得抵消非常難以進(jìn)行。

PIM檢測:定位PIM源

線路掃描

可以實(shí)施多種線路掃描技術(shù)。線路掃描測量傳輸系統(tǒng)在目標(biāo)頻段上的信號損耗和反射。我們不能認(rèn)為線路掃描總是會精確指示PIM的可能原因。線路掃描更像是一種診斷工具,可幫助識別傳輸線路上的問題。早期裝配問題可能表現(xiàn)為PIM;若不加以解決,這些裝配問題可能會升級,引起更為嚴(yán)重的傳輸線路故障。線路掃描通常分為兩個基本測試: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(nèi)均可能變化很大?；夭〒p耗衡量天線系統(tǒng)的功率傳輸效率。務(wù)必使反射回到發(fā)射機(jī)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?xí)p壞發(fā)射機(jī)。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(jī),99%到達(dá)天線——通常認(rèn)為這是相當(dāng)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,這很可能是開路或短路導(dǎo)致的。

時域反射

可以利用高級TDR技術(shù)來提供一個最優(yōu)系統(tǒng)的參考映射,以及確定傳輸路徑上開始發(fā)生損耗的確切位置。通過這種技術(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(fù)。傳輸線路映射還能提醒操作員注意一些早期故障跡象,防止其嚴(yán)重影響性能。時域發(fā)射法(TDR)測量信號經(jīng)過傳輸線路所產(chǎn)生的反射。TDR儀器讓一個脈沖通過介質(zhì),然后將未知傳輸環(huán)境產(chǎn)生的反射與標(biāo)準(zhǔn)阻抗產(chǎn)生的反射進(jìn)行比較。圖8顯示了一個簡化TDR測量設(shè)置框圖。

圖8.TDR設(shè)置框圖

圖9顯示了一個TDR傳輸線路映射實(shí)例。

圖9.TDR傳輸線路映射

頻域反射

雖然TDR和FDR的工作原理均是沿著傳輸線路發(fā)送激勵信號并分析反射,但這兩種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(來自傳輸線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(biāo)頻率(通常在系統(tǒng)的預(yù)期工作范圍內(nèi))運(yùn)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,雖然線路掃描可以指示阻抗不匹配,從而指示傳輸線路PIM源,但PIM和傳輸線路阻抗不匹配可以是互斥的。PIM非線性可能出現(xiàn)在線路掃描結(jié)果未指示任何傳輸線路問題的地方。因此,若要給用戶提供一種解決方案,要求不僅能指示PIM存在,而且能準(zhǔn)確識別傳輸線路上何處發(fā)生該問題,就需要采用更復(fù)雜的實(shí)施方案。

綜合PIM線路測試的工作模式與針對設(shè)計(jì)引入PIM抵消所述的模式相似,不同之處是算法檢查交調(diào)產(chǎn)物時間延遲估計(jì)的情況不同。應(yīng)當(dāng)注意,這些情況中的優(yōu)先事項(xiàng)并非PIM偽像的抵消,而是定位傳輸線路上何處發(fā)生交調(diào)。該概念也被稱為"PIM定位"(DTP)。例如,在一個雙音測試中,

信號音1:

信號音2:

w1和w2為頻率; θ1和θ2為初始相位;t0為初始時間。

IMD(例如低端)將為:

很多現(xiàn)有解決方案要求用戶中斷傳輸路徑,插入一個PIM標(biāo)準(zhǔn)裝置(它能產(chǎn)生固定量的PIM,用來校準(zhǔn)測試設(shè)備)。使用PIM標(biāo)準(zhǔn)裝置可為用戶提供一個基準(zhǔn)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(zhǔn)位置0。

圖11.PIM定位

一旦完成初始校準(zhǔn),便重構(gòu)系統(tǒng)并測量系統(tǒng)PIM,如圖11(b)所示。θ32和θ'32之間的相位差可用來計(jì)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可能是一個慢速遞增的過程;完成安裝后初期,基站可以高效率工作,但經(jīng)過一段時間后,此類PIM現(xiàn)象可能會開始變得突出。振動或風(fēng)等環(huán)境因素可能會影響PIM水平,故PIM的性質(zhì)和特點(diǎn)是動態(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(rèn)為掩蓋了更為嚴(yán)重的問題,若不加以解決,可能引發(fā)整體系統(tǒng)故障。這種情況下,運(yùn)營商會希望避免系統(tǒng)整體停機(jī)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(yùn)營商提供了這樣一種可能性:跟蹤系統(tǒng)性能隨時間而降低的情況,提前發(fā)現(xiàn)潛在問題。有了這些信息,便可在計(jì)劃維修期間更換薄弱點(diǎn),避免代價巨大的系統(tǒng)停機(jī)和專門維修工作。

結(jié)語

無源交調(diào)并不是什么新鮮事。這種現(xiàn)象已經(jīng)存在多年,為人所知也有段時間了。近年來,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(xiàn)在可通過一種智能方式來檢測和定位PIM,并且能酌情予以補(bǔ)償。以前的無線電設(shè)計(jì)人員必須選擇能夠滿足特定PIM性能要求的器件,但在PIM抵消算法的幫助下,他們現(xiàn)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(xiàn)相同的性能水平。抵消算法通過數(shù)字化方式輔助硬件元件。

第二,隨著基站塔的密度和多樣性爆炸式增長,我們面臨著特殊系統(tǒng)設(shè)置(例如天線共享)帶來的全新挑戰(zhàn)。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(jī)可能共享單根天線,導(dǎo)致出現(xiàn)不良PIM效應(yīng)的可能性大大增加。這種情況下,算法可能知道發(fā)射機(jī)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?qū)崿F(xiàn)可能會受限。

隨著基站設(shè)備領(lǐng)域的挑戰(zhàn)難度不斷加大,PIM檢測和抵消算法在短期內(nèi)預(yù)計(jì)能給無線電設(shè)計(jì)人員帶來相當(dāng)大的好處和優(yōu)勢,但要求開發(fā)工作跟上未來挑戰(zhàn)的步伐。

作者:ADI公司 Frank Kearney Steven Chen

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