作者：Frank Kearney and Steven Chen

眾所周知，有源元件會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生非線性。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)來(lái)提高此類設(shè)備在設(shè)計(jì)和操作階段的性能。很容易忽視無(wú)源器件也會(huì)引入非線性效應(yīng);雖然有時(shí)相對(duì)較小，但如果不加以糾正，這些非線性會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

PIM 代表“無(wú)源互調(diào)”。它表示當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)通過(guò)具有非線性特性的無(wú)源器件時(shí)產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物。機(jī)械部件的相互作用通常會(huì)導(dǎo)致非線性元素。這在兩種不同金屬的交界處尤其明顯。示例包括：電纜連接松動(dòng)、連接器臟污、雙工器性能差或天線老化。

無(wú)源互調(diào)是蜂窩行業(yè)中的一個(gè)重大問(wèn)題，并且極難進(jìn)行故障排除。在小區(qū)通信系統(tǒng)中，PIM會(huì)產(chǎn)生干擾，并會(huì)降低接收器靈敏度，甚至可能完全抑制通信。這種干擾會(huì)影響創(chuàng)建它的細(xì)胞以及附近的其他接收器。例如，在 LTE 頻段 2 中，下行鏈路的指定范圍為 1930 MHz 至 1990 MHz，而上行鏈路的范圍為 1850 MHz 至 1910 MHz。如果位于1940 MHz和1980 MHz的兩個(gè)發(fā)射載波通過(guò)PIM從基站系統(tǒng)發(fā)射，則它們的互調(diào)將導(dǎo)致1900 MHz的分量落入接收頻段。這將影響接收器。此外，2020 MHz的互調(diào)項(xiàng)目可能會(huì)影響其他系統(tǒng)。

圖1.無(wú)源互調(diào)，回落到接收頻段。

隨著頻譜變得越來(lái)越擁擠，天線共享方案變得越來(lái)越普遍，通過(guò)不同載波的互調(diào)產(chǎn)生PIM的可能性也相應(yīng)增加。使用頻率規(guī)劃來(lái)避免PIM的傳統(tǒng)方法幾乎是不可能的。再加上剛才提到的挑戰(zhàn)，采用CDMA/OFDM等新的數(shù)字調(diào)制方案意味著通信系統(tǒng)的峰值功率也會(huì)增加，從而增加了PIM問(wèn)題的嚴(yán)重性。

PIM已被強(qiáng)調(diào)為服務(wù)提供商和設(shè)備供應(yīng)商面臨的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。檢測(cè)并在可能的情況下解決問(wèn)題可提高系統(tǒng)可靠性并降低運(yùn)營(yíng)成本。在本文中，我們?cè)噲D回顧PIM的來(lái)源和原因，以及提出檢測(cè)和解決PIM的技術(shù)。

PIM 分類

我們的初步觀察表明，PIM有三種不同的類型，每種類型都有不同的特征，每種都需要不同的解決方案。我們選擇將這些類型分類為設(shè)計(jì) PIM、裝配 PIM 和生銹螺栓 PIM。

設(shè)計(jì) PIM

已知某些無(wú)源元件與其傳輸線相結(jié)合，會(huì)導(dǎo)致無(wú)源互調(diào)。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)將選擇具有組件制造商指定的最低或可接受的PIM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)生這種影響。設(shè)計(jì)人員可以選擇通過(guò)選擇成本更低、尺寸更小或性能更低的選項(xiàng)來(lái)接受更高水平的無(wú)源互調(diào)。

圖2.組件設(shè)計(jì)權(quán)衡、尺寸、功耗、抑制和 PIM 性能。

如果設(shè)計(jì)人員確實(shí)選擇使用性能較低的組件，則由此產(chǎn)生的較高交調(diào)水平可能會(huì)回落到接收器的頻帶內(nèi)，從而導(dǎo)致其脫敏。需要注意的是，在這些情況下，不需要的頻譜發(fā)射或功率效率損失可能不像PIM對(duì)接收器的脫敏效果那樣令人擔(dān)憂。這個(gè)問(wèn)題在小型蜂窩無(wú)線電設(shè)計(jì)中尤為重要。ADI目前處于高級(jí)開(kāi)發(fā)階段，可以檢測(cè)、建模和從接收信號(hào)中減去（消除）雙工器等靜態(tài)無(wú)源元件提供的PIM（見(jiàn)圖3）。

圖3.PIM 生成和取消算法。

該算法之所以有效，是因?yàn)樗私廨d波，并且可以在從接收信號(hào)中減去交調(diào)偽影之前，使用接收器的相關(guān)性來(lái)確定交調(diào)偽影。

當(dāng)相關(guān)性不能再用于確定互調(diào)偽影時(shí)，算法的限制開(kāi)始顯現(xiàn)。圖 4 提供了這方面的一個(gè)示例。在這種情況下，兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)射器共享同一天線。如果我們假設(shè)每條路徑的基帶處理都獨(dú)立于另一條路徑，那么該算法不太可能同時(shí)了解兩者，因此，它可以在接收器上執(zhí)行的相關(guān)/消除受到限制。

圖4.多個(gè)源共享同一天線。

復(fù)雜性增加了 PIM 挑戰(zhàn)

隨著站點(diǎn)訪問(wèn)和成本對(duì)服務(wù)提供商構(gòu)成挑戰(zhàn)，我們開(kāi)始看到越來(lái)越多的實(shí)例，其中單獨(dú)的發(fā)射器共享一個(gè)寬帶天線。架構(gòu)可以是頻段和格式的混合：TDD+ FDD;TDD： F + A + D， FDD： B3等圖 5 提供了此類配置的概述。在這種情況下，客戶正在實(shí)施復(fù)雜但真實(shí)的配置;一個(gè)分支是 TDD雙頻，另一個(gè)是FDD單頻，采用雙工器。信號(hào)被組合并共享一個(gè)天線。Tx1 和 Tx2 信號(hào)之間的交調(diào)在從合路器的路徑、傳輸?shù)教炀€的傳輸線以及天線本身中被動(dòng)發(fā)生。由此產(chǎn)生的交調(diào)偽影回落在F的頻帶內(nèi)DD接收器，Rx2。

圖5.FDD/TDD單天線實(shí)現(xiàn)。

圖6顯示了雙頻系統(tǒng)的實(shí)際分析。請(qǐng)注意，在這種情況下，我們需要考慮的不僅僅是三階無(wú)源調(diào)制偽影。在這種情況下，重點(diǎn)是來(lái)自一個(gè)頻段（內(nèi)部）的交調(diào)偽像落在另一個(gè)頻段的接收頻段內(nèi)。

圖6.多頻段 PIM 問(wèn)題。

裝配 PIM

PIM 的第二個(gè)分類是我們可以稱之為匯編 PIM。雖然系統(tǒng)在安裝時(shí)可能運(yùn)行良好，但由于天氣或初始安裝不良，性能通常會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。發(fā)生這種情況時(shí)，信號(hào)路徑的無(wú)源元件（即連接器、電纜、電纜組件、波導(dǎo)組件和組件）通常會(huì)開(kāi)始表現(xiàn)出非線性行為。事實(shí)上，PIM的一些主要事件將由連接器，連接甚至天線本身的饋線引起。如前所述，生成的效果可能類似于設(shè)計(jì) PIM 的效果。因此，可以使用相同的PIM測(cè)量理論，專門尋找無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物的存在。

裝配 PIM 的典型貢獻(xiàn)者是：

連接器配接接口（通常為 N 型或 DIN7/DIN16），

電纜附件（電纜/連接器連接的機(jī)械穩(wěn)定性），

材料（建議使用黃銅和銅，鐵磁材料表現(xiàn)出非線性特性），

清潔度（污垢或濕氣污染），

電纜注意事項(xiàng)（電纜的質(zhì)量和堅(jiān)固性），

機(jī)械堅(jiān)固性（由于風(fēng)和振動(dòng)而彎曲），

電熱感應(yīng)PIM（由于電導(dǎo)隨溫度變化而變化，以響應(yīng)具有非恒定包絡(luò)的RF信號(hào)耗散的時(shí)變功率）。

溫度變化大、含鹽空氣/污染空氣或過(guò)度振動(dòng)的環(huán)境往往會(huì)加劇 PIM。雖然可以使用與設(shè)計(jì)PIM相同的PIM測(cè)量技術(shù)，但裝配PIM的存在可以被視為系統(tǒng)在性能和可靠性方面退化的指標(biāo)。如果不解決，導(dǎo)致 PIM 的弱點(diǎn)可能會(huì)繼續(xù)升級(jí)，直到發(fā)生完全傳輸路徑故障。對(duì)程序集 PIM 使用 PIM 取消的方法可能被視為掩蓋問(wèn)題，而不是解決問(wèn)題。

在這種情況下，預(yù)計(jì)用戶不會(huì)希望取消PIM，而是被告知其存在，以糾正其根本原因。消除來(lái)自于首先確定在系統(tǒng)上引入PIM的位置，然后修復(fù)或更換該特定元件。

雖然我們可以認(rèn)為設(shè)計(jì)PIM是可量化和穩(wěn)定的，但如前所述，裝配PIM并不穩(wěn)定。它可能存在于一組非常狹窄的條件下，其振幅變化可能超過(guò) 100 dB。單次離線掃描可能無(wú)法捕獲此類實(shí)例;理想情況下，傳輸線診斷需要與PIM事件一起捕獲。

天線之外的 PIM（生銹螺栓 PIM）

PIM不僅限于有線傳輸路徑，也可能發(fā)生在天線之外。這種效果也稱為生銹螺栓 PIM。在這種情況下，無(wú)源交調(diào)發(fā)生在信號(hào)離開(kāi)發(fā)射器天線之后，產(chǎn)生的交調(diào)反射回接收器。術(shù)語(yǔ)生銹螺栓來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)，即在許多情況下，互調(diào)源可以是生銹的金屬物體，例如網(wǎng)狀柵欄、谷倉(cāng)，甚至是排水管。

金屬物體引起的反射是意料之中的。然而，在這些情況下，金屬物體不僅反射接收到的信號(hào)，而且還產(chǎn)生和輻射互調(diào)偽影。互調(diào)就像在有線信號(hào)路徑中一樣發(fā)生，即在兩種不同金屬的交界處或不同材料的交界處。電磁波產(chǎn)生混合和再輻射的表面電流（見(jiàn)圖7）。再輻射信號(hào)的幅度通常非常低。但是，如果輻射元件（生銹的圍欄、谷倉(cāng)或落水管）靠近基站的接收器，并且其交調(diào)產(chǎn)物落在接收頻帶內(nèi)，則結(jié)果將是接收器脫敏。

圖7.超越天線，或生銹的螺栓PIM。

在某些情況下，PIM源的檢測(cè)可以通過(guò)天線定位來(lái)實(shí)現(xiàn)：在改變天線位置的同時(shí)監(jiān)控PIM電平。在其他情況下，時(shí)間延遲估計(jì)也可用于定位源。如果 PIM 電平是靜態(tài)的，則可以使用標(biāo)準(zhǔn)算法消除技術(shù)來(lái)補(bǔ)償 PIM。然而，在許多情況下，振動(dòng)、風(fēng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)調(diào)節(jié)PIM的貢獻(xiàn)，使消除挑戰(zhàn)更加困難。

PIM 檢測(cè)：查找 PIM 源

掃線

可以實(shí)現(xiàn)各種掃線技術(shù)。線路掃描測(cè)量傳輸系統(tǒng)內(nèi)目標(biāo)頻段上的信號(hào)損耗和反射。不能假設(shè)掃線總是能準(zhǔn)確地指示PIM的可能原因。線路掃描可以更多地被視為一種診斷工具，有助于識(shí)別傳輸線路路徑上的問(wèn)題。早期裝配問(wèn)題可能表現(xiàn)為 PIM;如果不加以解決，這些組裝問(wèn)題可能會(huì)升級(jí)為更嚴(yán)重的傳輸線故障。線路掃描通常分為兩個(gè)基本測(cè)試：回波損耗和插入損耗。兩者都非常依賴于頻率，并且在指定頻段內(nèi)都可以有很大差異?；夭〒p耗測(cè)量天線系統(tǒng)的功率傳輸效率。必須將最小功率反射回發(fā)射器。任何反射功率都會(huì)使傳輸?shù)男盘?hào)失真，當(dāng)功率足夠大時(shí)，會(huì)對(duì)發(fā)射器造成損壞。20 dB的回波損耗系數(shù)表示1%的發(fā)射信號(hào)被反射回發(fā)射器，99%的信號(hào)到達(dá)天線，這通常被認(rèn)為是良好的性能。10 dB的回波損耗表示10%的信號(hào)被反射，應(yīng)視為較差。如果回波損耗測(cè)量值為0 dB，則會(huì)反射100%的功率，這可能是開(kāi)路或短路的結(jié)果。

時(shí)域反射

先進(jìn)的TDR技術(shù)可用于首先提供最佳系統(tǒng)的參考圖，然后用于確定傳輸路徑上開(kāi)始發(fā)生損傷的確切位置。這種技術(shù)可以使操作員找到PIM的來(lái)源并進(jìn)行有針對(duì)性的有效維修。傳輸線映射還可以在故障開(kāi)始對(duì)性能產(chǎn)生重大影響之前提醒操作員注意故障的早期跡象。時(shí)域反射計(jì)（TDR）測(cè)量信號(hào)通過(guò)傳輸線產(chǎn)生的反射。TDR儀器通過(guò)介質(zhì)發(fā)送脈沖，并將來(lái)自未知傳輸環(huán)境的反射與標(biāo)準(zhǔn)阻抗產(chǎn)生的反射進(jìn)行比較。簡(jiǎn)化的TDR測(cè)量模塊設(shè)置如圖8所示。

圖8.TDR 設(shè)置框圖。

圖9提供了TDR傳輸線映射的示例。

圖9.輸電線路的TDR映射。

頻域反射

雖然TDR和FDR都依賴于將激勵(lì)發(fā)送到傳輸線并分析反射的原理，但這兩種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)非常不同。FDR 技術(shù)使用 RF 信號(hào)掃描，而不是 TDR 使用的直流脈沖。FDR也比TDR敏感得多，可以更高精度地定位系統(tǒng)性能的故障或下降。頻域反射計(jì)原理涉及將源信號(hào)與來(lái)自傳輸線內(nèi)故障和其他反射特性的反射信號(hào)相加。雖然TDR使用非常短的直流脈沖作為激勵(lì)，這些脈沖固有地覆蓋非常大的帶寬，但FDR掃描RF信號(hào)實(shí)際上可以在特定的目標(biāo)頻率下運(yùn)行（通常在系統(tǒng)預(yù)期工作的范圍內(nèi)）。

圖 10.FDR原理，掃描頻率回波損耗與距離的關(guān)系。

到PIM的距離

需要注意的是，雖然線路掃描可能表明阻抗不匹配，因此傳輸線PIM的來(lái)源，但PIM和傳輸線阻抗不匹配可能是相互排斥的。PIM非線性可能發(fā)生在線路掃描結(jié)果未指示任何傳輸線問(wèn)題的點(diǎn)。因此，每當(dāng)要為用戶提供解決方案時(shí)，都需要更復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)，該解決方案不僅要指示PIM的存在，還要允許他們精確地識(shí)別傳輸線路徑上出現(xiàn)問(wèn)題的位置。

全面的PIM線路測(cè)試的運(yùn)行模式與設(shè)計(jì)PIM消除的模式類似，但算法檢查互調(diào)產(chǎn)物的時(shí)間延遲估計(jì)的情況除外。應(yīng)該注意的是，在這些情況下，優(yōu)先級(jí)不是消除PIM偽像，而是精確定位傳輸路徑上發(fā)生互調(diào)的位置。該概念也稱為到PIM的距離（DTP）。例如，在雙音測(cè)試中：

音調(diào) 1：

音調(diào) 2：

w1和 w2是頻率;01和 02是初始階段;t0是初始時(shí)間。

IMD（例如，下側(cè)）將是：

許多現(xiàn)有的解決方案要求用戶斷開(kāi)傳輸路徑并插入PIM標(biāo)準(zhǔn)（PIM標(biāo)準(zhǔn)是已知產(chǎn)生固定量PIM的設(shè)備，用于校準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備）。PIM標(biāo)準(zhǔn)的使用為用戶提供了一個(gè)參考IMD，該IMD在沿發(fā)射器路徑的特定位置/距離處具有已知相位。圖11（a）提供了概述。IMD階段032如圖 11 所示，用作位置零的參考。

圖 11.到 PIM 的距離。

執(zhí)行初始校準(zhǔn)后，重建系統(tǒng)并進(jìn)行系統(tǒng)PIM測(cè)量，如圖11（b）所示。θ 之間的相位差32和 θ'32可用于計(jì)算到 PIM 的距離。

其中D是到PIM的距離，S是波傳播速度（取決于傳輸介質(zhì)）。

裝配和生銹的螺栓PIM可能是緩慢和漸進(jìn)的過(guò)程;基站可能在初始安裝后高效工作，但隨著時(shí)間的推移，這些類型的PIM現(xiàn)象可能會(huì)開(kāi)始變得更加明顯。由于PIM的水平可能會(huì)受到振動(dòng)或風(fēng)等環(huán)境問(wèn)題的影響，因此PIM的性質(zhì)和特性可能是動(dòng)態(tài)和波動(dòng)的。屏蔽或取消 PIM 可能不僅困難，還可能被視為掩蓋更嚴(yán)重的問(wèn)題，如果不解決，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障。在這種情況下，運(yùn)營(yíng)商將希望避免整個(gè)系統(tǒng)拆卸的成本，而是有效地找到PIM貢獻(xiàn)者并更換它。

PIM距離（DTP）技術(shù)還為基站運(yùn)營(yíng)商提供了跟蹤其系統(tǒng)隨時(shí)間推移的退化情況的可能性，并提前突出顯示可能出現(xiàn)的問(wèn)題。這些知識(shí)允許在定期維護(hù)期間更換薄弱環(huán)節(jié)，從而避免代價(jià)高昂的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間和專門的維修工作。

結(jié)論

無(wú)源互調(diào)并不是什么新鮮事。這是一種已經(jīng)存在多年的現(xiàn)象，并且已經(jīng)理解了一段時(shí)間。最近，該行業(yè)的兩個(gè)明顯變化使其重新成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)：

首先，高級(jí)算法現(xiàn)在提供了一種智能方法來(lái)檢測(cè)PIM的存在/位置，并在適當(dāng)?shù)那闆r下對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。以前，無(wú)線電設(shè)計(jì)人員必須選擇滿足特定PIM性能要求的組件，而在PIM消除算法的幫助下，他們現(xiàn)在獲得了新的自由度。他們有能力推動(dòng)更高的性能，或者，如果他們應(yīng)該選擇，保持相同的性能水平，但成本更低，硬件組件更小。取消算法以數(shù)字方式輔助硬件元素。

其次，隨著基站塔的密度和多樣性的爆炸式增長(zhǎng)，我們看到由特定系統(tǒng)設(shè)置（例如共享天線）引起的一系列全新挑戰(zhàn)。算法消除取決于對(duì)主要傳輸信號(hào)的了解。在塔上的空間具有溢價(jià)的情況下，各種發(fā)射器可能共享一個(gè)天線，因此很可能存在不需要的PIM效應(yīng)。在這種情況下，算法可能知道發(fā)射器路徑的某些部分，并且可以有效地工作。在傳輸路徑的所有部分都未知的情況下，第一代高級(jí)PIM消除算法的性能或?qū)崿F(xiàn)可能會(huì)受到限制。

隨著基站安裝的挑戰(zhàn)不斷增加，PIM檢測(cè)和消除算法有望在短期內(nèi)為無(wú)線電設(shè)計(jì)人員帶來(lái)巨大的收益和優(yōu)勢(shì)，但需要開(kāi)發(fā)工作來(lái)跟上未來(lái)的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷