Эффекты пассивной интермодуляции (PIM) в базовых станциях: понимание проблем и решений
Хорошо известно, что активные компоненты будут генерировать нелинейности в системах. Разработаны различные методы повышения производительности таких устройств на этапе проектирования и эксплуатации.
Легко пренебречь тем, что пассивные устройства могут также вводить нелинейные эффекты; хотя иногда и относительно небольшие, эти нелинейности могут, если не исправляться, иметь серьезные последствия для производительности системы.
PIM означает «пассивную интермодуляцию». Он представляет собой продукты интермодуляции, генерируемые, когда два или более сигналов проходят через пассивное устройство с нелинейными свойствами. Взаимодействие механических компонентов обычно вызывает нелинейные элементы. Это особенно заметно на стыке двух разных металлов. Примеры включают в себя: свободные кабельные соединения, грязные разъемы, плохие дуплексоры производительности или старые антенны.
Пассивная интермодуляция является важной проблемой в сотовой индустрии, и ее чрезвычайно сложно устранить. В системах сотовой связи PIM может создавать помехи и уменьшать чувствительность приемника или даже полностью блокировать связь. Это вмешательство может повлиять на созданную им ячейку, а также на другие соседние приемники. Например, в полосе частот 2 LTE нисходящая линия указана с 1930 МГц до 1990 МГц, тогда как восходящая линия связи составляет от 1850 МГц до 1910 МГц. Если две передающие несущие, расположенные на частотах 1940 МГц и 1980 МГц, передают из системы базовых станций с помощью PIM, их интермодуляция приведет к компоненту на частоте 1900 МГц, которая попадет в приемный диапазон. Это повлияет на приемник. Кроме того, элемент интермодуляции на частоте 2020 МГц может влиять на другие системы.
Рисунок 1. Пассивная интермодуляция, возвращающаяся обратно в диапазон приемника
По мере того, как спектр становится более переполненным, а схемы совместного использования антенн становятся более распространенными, наблюдается соответствующее увеличение возможности генерации PIM из интермодуляции различных несущих. Традиционный способ использования частотного планирования для предотвращения PIM становится практически невозможным. В сочетании с упомянутыми выше проблемами принятие новых схем цифровой модуляции, таких как CDMA / OFDM, означает, что пиковая мощность системы связи также увеличивается, что увеличивает серьезность проблемы PIM.
PIM был выделен как серьезная проблема для поставщиков услуг и поставщиков оборудования. Обнаружение и, по возможности, решение проблемы обеспечивает повышенную надежность системы и снижение эксплуатационных затрат. В этой статье мы попытаемся проанализировать источники и причины PIM, а также технологии, предлагаемые для ее обнаружения и решения.
Классификация PIM
Наши первоначальные наблюдения показывают, что PIM имеет три отличительных типа, каждый из которых имеет разные характеристики и для каждого из них требуются разные решения. Мы решили классифицировать эти типы как проект PIM, сборку PIM и ржавый болт PIM.
Дизайн PIM
Известно, что некоторые пассивные компоненты в сочетании со своими линиями передачи энергии способствуют пассивной интермодуляции. Поэтому при разработке системы команды разработчиков будут выбирать пассивные элементы с минимальным или приемлемым уровнем PIM, как указано изготовителем компонента. Циркуляторы, дуплексоры и переключатели особенно подвержены влиянию. Дизайнеры могут принимать более высокие уровни пассивной интермодуляции, выбирая более низкие затраты, меньший размер или более низкие параметры производительности.
Рисунок 2. Компоновка компонентов, размер, мощность, отклонение и производительность PIM
Если дизайнеры предпочитают использовать компоненты с более низкой производительностью, результирующие более высокие уровни интермодуляции могут отступить в пределах полосы приемника и привести к ее десенсибилизации. Важно отметить, что в этих случаях нежелательные спектральные выбросы или потеря мощности могут быть не такими, как десенсибилизирующий эффект PIM на приемнике. Эта проблема имеет особое значение для небольших конструкций радиотелескопов. В настоящее время ADI находится на стадии усовершенствованного развития, благодаря чему PIM, предоставляемый статическими пассивными элементами, такими как дуплексер, может быть обнаружен, смоделирован и вычтён (отменен) из принятого сигнала (см. Рис. 3).
Рисунок 3. Генерация PIM и алгоритм отмены
Алгоритм работает, потому что он знает носители и может использовать корреляцию в приемнике для определения артефакта интермодуляции, прежде чем вычесть его из принятого сигнала.
Ограничения на алгоритм начинают возникать, когда корреляция больше не может использоваться для определения артефакта интермодуляции. На рисунке 4 приведен пример этого. В этом случае два отдельных передатчика имеют одну и ту же антенну. Если мы предположим, что обработка основной полосы для каждого пути не зависит от другого, то алгоритм вряд ли будет знать оба и, следовательно, ограничен в корреляции / аннулировании, которые он может выполнять в приемнике.
Рисунок 4. Несколько источников, использующих одну и ту же антенну
Сложность добавления в задачу PIM
Как поставщики услуг по доступу к объектам и стоимости услуг, мы начинаем видеть все большее число случаев, когда отдельные передатчики используют одну широкополосную антенну. Архитектура может быть комбинацией группы и форматов: T DD + F DD; T DD: F + A + D, F DD: B3 и т. Д. На рисунке 5 представлен обзор такой конфигурации. В этом случае клиент реализует сложную, но реальную конфигурацию; одна ветвь - двухдиапазонная T DD, а другая - однодиапазонная F DD с использованием дуплексера. Сигналы объединяются и совместно используют одну антенну. Интермодуляция между сигналами Tx1 и Tx2 происходит пассивно по пути от объединителя, линии передачи к антенне и самой антенны. Полученный интермодуляционный артефакт возвращается обратно в полосу приемника F DD, Rx2.
Рисунок 5. Реализация одиночной антенны FDD / TDD
На рисунке 6 показан практический анализ двухдиапазонной системы. Обратите внимание, что в таких случаях нам нужно рассматривать далеко за пределами пассивных артефактов модуляции третьего порядка. В этом случае основное внимание уделяется интермодуляционным артефактам из одной полосы (внутри), входящей в зону приема другой.
Рисунок 6. Многополосные проблемы PIM
Сборка PIM
Вторая классификация PIM - это то, что мы можем назвать сборкой PIM. Хотя система может работать удовлетворительно при установке, производительность часто ухудшается со временем из-за погоды или плохой начальной установки. Когда это происходит, пассивные элементы (то есть разъемы, кабели, кабельные сборки, узлы волновода и компоненты) пути прохождения сигнала обычно начинают проявлять нелинейное поведение. Фактически, некоторые из основных случаев PIM будут вызваны разъемами, соединениями и даже фидером для самих антенн. Результирующий эффект может быть аналогичен результату проектирования PIM, как обсуждалось ранее. Следовательно, можно использовать ту же самую теорию измерения PIM, которая специально ищет наличие пассивных продуктов интермодуляции.
Типичными вкладчиками в сборку PIM являются:
- Соединительный интерфейс соединителя (обычно тип N или DIN7 / DIN16),
- Крепление кабеля (механическая устойчивость соединителя кабеля / соединителя),
- Материалы (латунь и медь рекомендуются, ферромагнитные материалы показывают нелинейные характеристики),
- Чистота (загрязнение от грязи или влаги),
- Требования к кабелям (качество и прочность кабеля),
- Механическая прочность (изгиб из-за ветра и вибрации),
- Электротермически индуцированный PIM (из-за изменения проводимости при изменении температуры в зависимости от изменяющейся во времени мощности, рассеиваемой радиосигналами с непостоянными огибающими).
В средах с широкими колебаниями температуры, солевым воздухом / загрязненным воздухом или чрезмерными вибрациями, как правило, усугубляется PIM. Хотя те же самые методы измерения PIM могут использоваться как для проектного PIM, наличие сборки PIM можно рассматривать как признак ухудшения системы как с точки зрения производительности, так и надежности. Если они не решены, слабые стороны, вызывающие PIM, могут продолжать возрастать до полного сбоя пути передачи. Подход использования отмены PIM для сборки PIM можно рассматривать как маскирование проблемы, а не ее решение.
В таких обстоятельствах ожидается, что пользователи не захотят отменять PIM, но будут уведомлены о его существовании с целью устранения его основной причины. Устранение происходит от первого определения того, где в системе вводится PIM, а затем восстанавливается или заменяется этим конкретным элементом.
В то время как мы могли бы рассматривать дизайн PIM как подлежащий количественному определению и стабильный, сборка PIM, как описано ранее, нестабильна. Он может существовать в очень узком наборе условий, и его амплитудное изменение может превышать 100 дБ. Однократная съемка в автономном режиме может не захватывать такие экземпляры, в идеале диагностику линии передачи необходимо собирать в тандеме с событием PIM.
PIM Помимо антенны (Rusty Bolt PIM)
PIM не ограничивается проводным трактом передачи, но может также произойти за пределами антенны. Эффект также известен как ржавый болт PIM. В таком случае пассивная интермодуляция возникает после того, как сигналы покинули антенну передатчика, и результирующая интермодуляция отражалась обратно в приемник. Термин ржавый болт исходит из того факта, что во многих случаях источником интермодуляции может быть ржавый металлический объект, такой как сетчатый забор, сарай или даже сливная труба.
Ожидаются отражения, вызванные металлическими предметами. Однако в этих случаях металлические объекты не только отражают принимаемые сигналы, но также создают и излучают интермодуляционные артефакты. Интермодуляция происходит так же, как и в проводном сигнальном тракте, который находится на стыке двух разных металлов или соединений разнородных материалов. Электромагнитные волны создают поверхностные токи, которые смешиваются и переизлучаются (см. Рис. 7). Переизлученные сигналы обычно очень низкие по амплитуде. Однако, если излучающий элемент (ржавый забор, сарай или водосточный трубок) близок к приемнику базовой станции, и если его продукт интермодуляции попадает в приемную полосу, результатом будет десенсибилизация приемника.
Рисунок 7. За антенной или ржавым болтом PIM
В некоторых случаях обнаружение источника PIM может быть достигнуто путем позиционирования антенны: уровень PIM контролируется при изменении положения антенны. В других случаях оценка времени может также использоваться для определения местонахождения источника. Если уровни PIM являются статическими, то для компенсации PIM могут использоваться стандартные алгоритмические методы отмены. Однако во многих случаях вибрация, ветер и механическое движение могут модулировать вклад PIM и еще более затруднять задачу отмены.
Обнаружение PIM: поиск источника PIM
Подметальная линия
Могут быть реализованы различные методы подметания линий. Линия подметания измеряет потери и отражения сигнала в системе передачи по интересующей полосе частот. Нельзя предположить, что линия подметания всегда будет точно указывать возможные причины PIM. Подметание линии можно рассматривать скорее как диагностический инструмент, который помогает выявлять проблемы на пути линии передачи. Проблемы сборки на ранней стадии могут проявляться как PIM; если они останутся нерешенными, эти проблемы сборки могут перерасти в более серьезные сбои линии передачи. Линия подметания обычно разбивается на два основных теста: возвратные потери и потери при вставке. Оба они очень зависят от частоты, и оба могут сильно варьироваться в пределах определенной полосы. Возвратные потери измеряют эффективность передачи энергии антенной системы. Очень важно, чтобы минимальная мощность отражалась обратно к передатчику. Любая отраженная мощность может искажать передаваемый сигнал и, когда это достаточно мощно, может привести к повреждению передатчика. Обратный коэффициент возврата 20 дБ указывает, что 1% передаваемого сигнала отражается обратно в передатчик, а 99% достигает антенны - это, как правило, считается хорошей производительностью. Возвратная потеря 10 дБ указывает, что 10% сигнала отражается и должно считаться бедным. Если обратные потери, измеренные 0 дБ, будут отражаться на 100% мощности, и это, вероятно, будет результатом открытого или короткого замыкания.
Отражения во временной области
Продвинутые методы TDR могут быть использованы для того, чтобы сначала предоставить справочную карту оптимальной системы, а во-вторых, для определения того, где именно вдоль нарушений пути передачи начинает происходить. Такая методика позволяет операторам находить источники PIM и производить целенаправленный и эффективный ремонт. Отображение линии передачи также может предупредить операторов о ранних признаках отказа, прежде чем они начнут оказывать значительное влияние на производительность. Рефлектометрия во временной области (TDR) измеряет отражения, возникающие в результате прохождения сигнала по линии передачи. Инструмент TDR посылает импульс через среду и сравнивает отражения от неизвестной среды передачи с данными, полученными стандартным импедансом. Упрощенная установка блока измерения TDR показана на рисунке 8.
Рисунок 8. Структурная схема установки TDR
На рисунке 9 показан пример отображения линии передачи TDR.
Рисунок 9. Отображение TDR линии передачи
Отражения в частотной области
Хотя TDR и FDR полагаются на принцип отправки стимулов по линии передачи и анализа отражений, реализация этих двух методов очень различна. Метод FDR использует развертку радиочастотного сигнала вместо импульсов постоянного тока, используемых TDR. FDR также гораздо более чувствителен, чем TDR, и может обнаруживать неисправности или ухудшение производительности системы с большей точностью. Принцип рефлектометрии частотной области включает в себя векторное дополнение исходного сигнала с отраженными сигналами от неисправностей и других отражающих характеристик в пределах линии передачи. В то время как TDR использует очень короткие импульсы постоянного тока, которые по своей природе покрывают очень большую полосу пропускания в качестве стимула, радиочастотные сигналы FDR могут фактически выполняться на определенных интересующих частотах (обычно в пределах диапазона, в котором система должна работать).
Рисунок 10. Принципы FDR, отклоненные потери частоты по сравнению с расстоянием
Расстояние до PIM
Важно отметить, что в то время как линия подметания может указывать на несоответствие импеданса и, следовательно, источник PIM, PIM, PIM и несоответствия импеданса линии передачи могут быть взаимоисключающими. Нелинейность PIM может возникать в точках, где результаты линейного подметания не указывают на какие-либо проблемы с линией передачи. Следовательно, требуется более сложная реализация, когда пользователям предоставляется решение, которое не только указывает на наличие PIM, но также позволяет точно определить, где по пути линии передачи возникает проблема.
Всестороннее тестирование линии PIM работает в аналогичном режиме, описанном для отмены PIM проекта, за исключением случая, когда алгоритм исследует оценку временной задержки продукта интермодуляции. Следует отметить, что приоритет в этих случаях не является отменой артефакта PIM, а точным указанием того, где вдоль пути передачи происходит интермодуляция. Эта концепция также известна как расстояние до PIM (DTP). Например, в двухтомном тесте:
Тон 1:
Тон 2:
w 1 и w 2 - частота; 0 1 и 0 2 - начальная фаза; t 0 - начальное время. IMD (например, нижняя сторона):
Многие существующие решения требуют от пользователя разбить канал передачи и вставить стандарт PIM (стандарт PIM - это устройство, известное для создания фиксированного количества PIM, которое используется для калибровки тестового оборудования). Использование стандарта PIM предоставляет пользователю опорный IMD, который имеет известную фазу в определенном положении / расстоянии вдоль пути передатчика. На рисунке 11 (a) представлен обзор. Фаза 0 IMD, как показано на рисунке 11, используется как ссылка на нулевую позицию.
Рисунок 11. Расстояние до PIM
Как только начальная калибровка выполняется, система затем восстанавливается и выполняется измерение PIM системы, как показано на рисунке 11 (b). Разность фаз между θ 32 и θ '32 может использоваться для вычисления расстояния до PIM.
где D - расстояние до PIM, а S - скорость распространения волны (в зависимости от среды передачи).
Сборка и ржавый болт PIM могут быть медленными и инкрементными процессами; базовая станция может работать эффективно после первоначальной установки, но со временем эти типы явлений PIM могут начать становиться более выраженными. Поскольку уровень PIM может быть подвержен экологическим проблемам, таким как вибрация или ветер, характер и характеристики PIM могут быть динамическими и колебательными. Маскировка или отмена PIM может быть не только сложной, но также можно рассматривать как маскирование более серьезной проблемы, которая может, если не решено, вызвать общий сбой системы. В таких обстоятельствах операторы захотят избежать затрат на полное срыв системы, но вместо этого эффективно найти вкладчика PIM и заменить его.
Расстояние до технологии PIM (DTP) также предлагает операторам базовых станций возможность отслеживать деградацию своих систем с течением времени и заранее выделять то, что может возникнуть в качестве проблемных проблем. Знания позволяют заменять слабые места во время планового технического обслуживания, что позволяет избежать дорогостоящих простоев системы и целенаправленных усилий по ремонту.
Вывод
Пассивная интермодуляция не является чем-то новым. Это явление, которое существует уже много лет, и его понимали в течение некоторого времени. В последнее время два отдельных изменения в отрасли вернули его в авангарде внимания:
Во-первых, современные алгоритмы теперь обеспечивают умный способ обнаружения присутствия / местоположения PIM и, при необходимости, компенсировать его. В то время как ранее радиорежиссерам приходилось выбирать компоненты, которые отвечали конкретным требованиям производительности PIM, с помощью алгоритмов отмены PIM они теперь получили новую степень свободы. Они имеют возможность добиваться более высокой производительности или, если они должны выбирать, поддерживать одинаковый уровень производительности, но с более низкой стоимостью и меньшими аппаратными компонентами. Алгоритмы отмены цифровой обработки аппаратных элементов.
Во-вторых, с бурным ростом плотности и разнообразия башен базовых станций мы видим целый ряд проблем, вызванных конкретными настройками системы, такими как совместное использование антенн. Алгоритмическое аннулирование зависит от знания первичных передаваемых сигналов. В случаях, когда пространство на башнях имеет премию, различные передатчики могут использовать одну антенну, что делает вероятность нежелательных эффектов PIM весьма вероятной. В таких случаях алгоритм может знать некоторые части пути передатчика и может работать эффективно. В случаях, когда известны не все участки пути передачи, производительность или реализация алгоритмов отмены первого поколения расширенного алгоритма PIM могут быть ограничены.
По мере того, как проблемы в установках базовых станций будут продолжать расти, можно ожидать, что алгоритмы обнаружения и отмены PIM будут в значительной степени способствовать достижению значительных преимуществ и преимуществ для разработчиков радиотехники, но потребуют разработки, чтобы идти в ногу с будущими проблемами.
Эта статья была первоначально опубликована в Analog Dialogue. Вы можете просмотреть больше технических статей на своем веб-сайте.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.