IMD三阶互调失真分析
通用RF器件的邻道泄漏比(ACLR)来源
通用RF器件的邻道泄漏比(ACLR)来源任何通用的RF器件,不论是混频器、放大器、隔离器或其它器件，其邻道泄漏比(ACLR)都受器件三阶互调失真(IM3)的影响。
可推导出器件的IM3与三阶输出交调截点(OIP3)之间的关系。
本文介绍了估算ACLR的公式推导，ACLR是IM3的函数。
ACLR/IMD模型为了了解RF器件的ACLR来源可以对宽带载波频谱进行模拟，相当于独立的CW副载波集合。
每个副载波都会携带一部分总的载波功率。
下图所示就是这样一个模型，连续RF载波由四个单独的CW副载波模拟，每个副载波的功率为总载波功率的四分之一。
副载波以相同的间隔均匀地分布于整个载波带宽内。
图1. 宽带载波信号的副载波模型图1中的绿线从左到右分别是副载波1、2、3和4。
如果我们只考察左边的两个副载波(1和2)，可以考虑RF器件中的任意IMD3失真引起的三阶IMD分量。
三阶失真表现为这两个副载波两侧的低电平副载波，两个“绿色”副载波左边的第一个“红色”失真分量是这两个副载波的IMD3失真结果。
来自副载波1和3的IMD3分量在与载波1间距相同的频率处具有IMD3失真分量。
这在载波频谱的左边产生第二个“红色” IM分量。
同样，来自副载波1和4的IMD3生成的失真分量距离载波边缘更远。
注意这里还存在其它的IMD分量。
副载波2和4产生的IM3分量直接叠加在副载波1和2产生的IMD分量上。
这一累加效应会使距离RF载波边缘较近的IMD分量的幅值比距离RF载波边缘较远的IMD分量高，产生ACLR失真频谱中的“肩”特性。
Leffel¹发表的一篇论文详细描述了来自多个副载波的IMD分量的这种累加。
这种方法可以定量地预测单独的IMD3失真分量的实际电平。
通过增加模型中所使用的单独的副载波的数量可以增加模型的精度²。
多个宽带载波的ACLR性能与该模型中的ACLR非常像，模型中每个单独的宽带载波占据总的宽带载波带宽的一部分。
ADC不可忽略的交调失真因素
ADC不可忽略的交调失真因素简介交调失真（IMD）是用于衡量放大器、增益模块、混频器和其他射频元件线性度的一项常用指标。
二阶和三阶交调截点（IP2和IP3）是这些规格参数的品质因素，以其为基础可以计算不同信号幅度下的失真积。
虽然射频工程师们非常熟悉这些规格参数，但当将其用于ADC时往往会产生一些困惑。
本教程首先在ADC 的框架下对交调失真进行定义，然后指出将IP2和IP3的定义应用于ADC时必须采取的一些预防措施。
双音交调失真（IMD）测量双音交调失真时，要将两个频谱纯净的正弦波在频率f1和f2下应用于ADC，这两个频率一般距离相对较近。
将每个音的幅度设为比满量程低，数值略微超过6dB即可，以便两个音相位增加时，ADC不会出现削波。
二阶和三阶积的位置如图1所示。
请注意，二阶积处于数字滤波器可以消除的频率位置。
然而，三阶积2f2-f1和2f1-f2接近原始信号，过滤的难度更大。
除非另有说明，双音交调失真指这些近距三阶积。
交调失真积值一般以dBc为单位，相对于两个原始音之一的值，而不是两者之和。
然而，请注意，如果两个音接近fs/4，则基波的混叠三次谐波可能使2f2-f1和2f1-f2真实积的识别变得异常困难。
其原因在于，fs/4的三次谐波为3fs/4，而混叠出现在fs-3fs/4=fs/4频率处。
类似地，如果两个音接近fs/3，则混叠二次谐波可能会干扰测量。
原理同上，fs/3的二次谐波为2fs/3，混叠出现在fs-2fs/3=fs/3处。
二阶和三阶交调截点（IP2，IP3）、1-dB压缩点三阶交调失真积在多通道通信系统中尤其麻烦，这种应用中，通道隔离在整个频段保持不变。
三阶交调失真积在有大信号的情况下可能掩盖住小信号。
在放大器、混频器和其他射频元件中，一般以三阶交调截点（IP3）来表示三阶交调失真积，如图2所示。
两个频谱纯洁的音被应用于该系统。
单音的输出信号功率（单位：dBm）以及三阶积的相对幅度（以一个单音为基准）表示为输入信号功率的函数。
放大器失真
１５ 放大器失真 问：我看了你们的放大器产品说明，对失真技术指标我有些弄不懂。
有 的放大 器是用二次和三次谐波失真，另外一些用总谐波失真（ＴＨＤ）或总谐波失真加噪声（ＴＨＤ＋Ｎ），还 有的用两个单一频率互调失真（ＩＭＤ）和三阶互调失真，能否请你解释一下？ 答：因为放大器是应用范围很广的常用器件，所以为了满足应用需要不断 研制出一 些新的放大器，因而自然会涉及到一些专用指标。
正如你所指出的那样，失真可以用各种方 法来定义，对于特殊的应用，技术指标与用户对失真的定义有关。
尽管有一些指标主要与规 定的频率范围和应用场合有关，但还是有一些失真指标是相当通用的。
实际上存在着一些标准化的基本定义，所以让我们首先讨论一下。
谐波失真是这样度量 的：在规定的电路中，用一个频谱上是很纯的正弦波加到放大器上，然后观察输出 的频谱。
在输出端观察到的失真大小通常与下面几个参数有关：待测放大器在小信号和大 信号条件下的非线性、输入信号的幅值和频率、放大器输出端施加的负载、放大器的电源电 压 、印制线路板的布局、接地和电源去耦等。
因此你可以看出，任何关于失真的技术指标如果 没有确切规定的测试条件是完全没有意义的。
谐波失真的测量可以根据频谱分析仪的输出频谱，观察二次、三次、四次…等谐波相对 基波信号的幅值来完成。
谐波失真通常表示成一个比率，其单位为％，ｐｐｍ，ｄＢ 或ｄＢＣ。
例 如０１００１５％的失真相当于１５ ｐｐｍ 或－９６１５ ｄＢＣ。
单位 ｄＢＣ仅仅表示谐波电平比“载波 ”频率（即基波）低多少 ｄＢ。
谐波失真可以用每一个分量来分别表示（通常仅仅用二次和三次谐波）。
或者把它们所有 分量组合成一个方和根（ｒｓｓ），从而给出总谐波失真（ＴＨＤ）为： ＴＨＤ＝Ｖ２２＋Ｖ２３＋Ｖ２４＋…Ｖ２ｎＶＳ 这里，ＶＳ＝信号幅值（有效值Ｖ） Ｖ２＝二次谐波幅值（有效值Ｖ） Ｖｎ＝ｎ次谐波幅值（有效值Ｖ） 在ＴＨＤ中所含的谐波数目可能是不同的，但通常用前五次谐波就足够了。
互调失真
百科名片互调失真英文名称：intermodulation distortion 互调失真（intermodulation distortion，简称IMD）系指由放大器所引入的一种输入信号的和及差的失真。
例如，在给放大器输入频率为1kHz和5kHz的混合信号后，便会产生6kHz（1kHz和5kHz之和）及4kHz（1kHz和5kHz之差）的互调失真成份。
目录展开编辑本段互调失真定义IMD也是一种测量非线性失真的方式。
互调失真是来自于两个频率F1与F2，在F1+F2与F1-F2（取绝对值）之间所产生的谐波，这些谐波彼此之间又能继续组合出和、差、乘积。
举例来说，14kHz与15kHz的谐波失真就包括了1kHz与29kHz，而通过其中的1kHz，又能与14kHz组合出13kHz，依此类推。
测量这些位置的谐波大小，就是互调失真。
测试时是发出19kHz 与20kHz两个频率的声音，所以图形上在19k与20k的位置会有峰波，我们可以借此观察在19k左边的图形是否有过多的谐波产生出来。
这个值越小，则播放器越好。
编辑本段互调失真解析顾名思义，互调失真（Intermodulation Distortion）是指由于讯号互相调制所引起的失真，调制一词本来是指一种在通讯技术中，用以提高讯号传送效率的技术。
由于含有声音、图像，文字等的原始讯号“加进”高频讯号里面，然后同志将这个合成讯号发送出去。
这种将高低频相“加”的过程和方式称为调制技术，所合成的讯号称为调制讯号。
调制讯号除保留高频讯号的主要特征外，还包含有低频讯号的所有信息。
产生互调失真的过程实质上也是一种调制过程，由于一个电子线路或一台放大器不可能做到完全理想的线性度，当不同频率的讯号同时进入放大器被放大时，在非线性作用下，每个不同频率的讯号就会自动相加和相减，产生出两个在原讯号中没有的额外讯号，原讯号如有三个不同频率，额外讯号便会有6个，当原讯号为N个时，输出讯号便会有N（N-1）个。
三阶互调失真的测量
三阶互调失真的测量来源：未知作者：chactor时间：2009-08-16 11:26浏览：293【大中小】内容提要：三阶互调失真（IMD）是由通信系统中的非线性因素而产生的，它将对其它通信系统产生严重的干扰。
在本文中，介绍了三阶互调产生的原因；并简要介绍了测试方法和所需设备。
为什么要测量三阶互调失真：由二个频率而产生的三阶互调失真是窄带通信系统中普遍存在的问题。
当系统中存在二个（或更多）的信号时，通常会产生很强的互调产物。
二个信号（f1 和f2）的二次谐波（2f1 和2f2）会进一步产生互调失真，其最大的互调产物就是三阶互调（2f1 -f2 和2f2 -f1）。
不管是有源还是无源器件，如放大器、混频器和滤波器等都会产生三次互调产物。
这些互调产物会降低许多通信系统的性能。
发射信号中过大的三阶互调（IMD）产物会干扰其它的接收机，最终造成接收机无法正常工作。
测试方框图：三阶互调失真的测试可以按照图一的方法进行。
所需的设备：一、2 台射频信号源：提供2 个射频信号，同时加到被测器件。
二、2 个LPF 和一个BPF：保证信号源输出频谱的纯净。
三、1 个功率合成器：将二个信号合成一路，如果采用Splitter，还需要外加2 个6dB 衰减器以增加隔离度。
四、被测器件：放大器、滤波器等有源或无源器件。
五、1 个大功率衰减器：衰减放大器的输出信号，自身需考虑低互调。
六、1 个手动步进衰减器：调节输入到频谱分析仪的输入电平，对测试结果进行精确分析。
七、1 个隔直流器（需要时）：防止放大器中的直流信号串入频率分析仪，保护频谱分析仪。
八、1 台频谱分析仪：观察互调失真产物。
九、低互调测试电缆和射频转接器套件：连接测试系统。
测试步骤（以CDMA 直放站为例）：一、按图一所示连接系统。
二、将信号源1 的频率设为直放站的中心频率f1，将信号源2 的频率设为f2 = f1 + 1.23MHz。
频率间隔一般为一个信道的间隔。
三阶互调
三阶互调（Third Order Intermodulation 或3rd Order IMD）是指当两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。
由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基波信号（一阶信号），他们俩的合称为三阶信号。
又因为是这两个信号的相互调制而产生差拍信号，所以这个新产生的信号称为三阶互调失真信号。
产生这个信号的过程称为三阶互调失真。
他所表明的是确切含义是，一个线性系统所包含的非线性系数的大小.公式三阶互调公式：f1+f2-f3，2f1-f2，2f2-f1三阶互调是指当两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。
比如F1的二次谐波是2F1，他与F2产生了寄生信号2F1-F2。
由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基波信号（一阶信号），他们俩合成为三阶信号,其中2F1-F2被称为三阶互调信号，它是在调制过程中产生的。
又因为是这两个信号的相互调制而产生差拍信号，所以这个新产生的信号称为三阶互调失真信号。
产生这个信号的过程称为三阶互调失真。
由于F2，F1信号比较接近，也造成2F1-F2，2F2-F1会干扰到原来的基带信号F1，F2。
这就是三阶互调干扰。
既然会出现三阶，当然也有更高阶的互调，这些信号不也干扰原来的基带信号么？其实因为产生的互调阶数越高信号强度就越弱，所以三阶互调是主要的干扰，考虑的比较多。
不管是有源还是无源器件，如放大器、混频器和滤波器等都会产生三次互调产物。
这些互调产物会降低许多通信系统的性能。
1、三阶互调的产生三阶互调是指当两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号混频后所产生的寄生信号。
比如F1的二次谐波是2F1，他与F2产生了寄生信号2F1-F2和2F2-F1。
由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基波信号（一阶信号），所以称之为三阶互调。
互调失真及测试原理与方法
互调失真及测试原理与方法当音频放大电路放大输入频率为F的音频信号时，如果有下列两个干扰信号同时作用于放大电路输入端：U f1=U f1cos2πF1tU f2=U f2cos2πF2t那么，由于元器件特性的非线性，就会引起这两个信号之间的互相作用，产生出一种与有用信号频率相近的新生干扰信号。
这时，经音频放大电路听到的除了有用信号的声音外，还同时夹杂着哨叫声和杂乱的干扰声。
这种由于干扰之间互相调制作用对有用信号引起的失真称为互调失真(Intermodulation Distortion)或互调干扰。
互调失真的测量技术中使用的激励信号都不止单个简单的正弦信号。
专业音响、广播和消费类音响等领域，用两个正弦波作为激励信号来进行互调失真的测量。
因为任意两个频率分别为F1和F2的正弦信号作用于非线性器件时，就会产生出原有的两个正弦波再加上无数个互调失真项，即无数个组合频率分量，如下式：mF1±nF2其中m、n为任意正整数。
任意特定的互调失真（IMD）项的阶数即m与n的和。
下面列出一些互调失真项的阶数：F1-F2 2阶（偶次）F1+F2 2阶（偶次）2F1-F2 3阶（奇次）F1-2F2 3阶（奇次）2F1+F2 3阶（奇次）3F1-F2 4阶（偶次）3F1+2F2 5阶（奇次）......上面的“奇次”和“偶次”指的是m+n是奇数还是偶数。
互调失真的测量方法实际上是对谐波电压分量的测量，其公式为：f1为高音频，f2为低音频。
SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers）RP120-1983标准和DIN (Deutsches Institut fur Normung e.V.）DIN45403标准是最普通的两种互调失真测量标准。
因为越是复杂的测试信号就越接近于模拟实际的节目源。
而SMPTE和DIN互调失真测试高幅低频音频信号与低幅高频音频信号的频谱关系类似于音乐和声音的频谱分布。
交调和互调的区别
交调和互调的区别三阶互调三阶互调（Third Order Intermodulation 或3rd Order IMD）是指当两个信号在一一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。
由于一个信号是二次谐波（二阶信号），另一个信号是基波信号（一阶信号），他们俩的合称为三阶信号。
又因为是这两个信号的相互调制而产生差拍信号，所以这个新产生的信号称为三阶互调失真信号。
产生这个信号的过程称为三阶互调失真。
他所表明的是确切含义是，一个线性系统所包含的非线性系数的大小。
互调和交调是有区别的。
简单来说，互调可以说是非调制信号与有用信号经过非线性器件后，相互作用产生的互调频率信号对有用信号的干扰。
而交调般是指调制信号。
两点有本质区别。
交调可以引起串音，就是这个原因。
互调干扰（Inter ModulaTIon）当两个或多个干扰信号同时加到接收机时，由于非线性的作用，这两个干扰的组合频率有时会恰好等于或接近有用信号频率而顺利通过接收机，其中三阶互调最严重。
由此形成的干扰，称为互调干扰。
互调干扰和交调干扰类似，有天线互调、天馈避雷器互调、滤波器互调等。
交调干扰交叉调制（Cross ModulaTIon）是指一个受调制的干扰（如干扰电台）与要接收的信号同时作用于接收机，由于高放或变频器的非线性作用，会将干扰的调制信号转移到信号载波上，而形成交叉调制，由此造成的干扰，称交叉干扰。
系统交调有天线交调、天馈避雷器交调、接收机滤波器交调等，我们把因为天线、馈线等无源器件的非线性引起的交调称为无源交调。
另，需要注意的是，互调一般都是指两个or两个以上的unwant信号与want信号相互作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由二个频率产生的三阶互调失真是现代通信系统中普遍存在的问题。
当系统中二个（或更多）的载频信号通过一个无源器件，如天线、电缆、滤波器和双工器时，由于其机械接触的不可靠，虚焊和表面氧化等原因，在不同材料的连接处会产生非线性因素，这就像混频二极管。
二个载频信号（F1和F2）及其二次谐波（2F1和2F2）所进一步产生的最大互调产物就是三阶互调失真（2F1-F2和2F2-F1）。
三阶互调产物（IM3）的典型指标是当二个+43dBm 的载频信号同时加到被测器件（DUT）时，其产生的IM3值不大于-110dBm，也就是-153dBc。
二阶互调失真会降低通信系统的性能。
发射信号中过大的三阶互调产物会干扰其它的接收机，最终造成接收机无法正常工作。
通常，设计者较为关心有源器件的互调测试。
但是随着通信系统的发展和系统质量的提高，对无源互调的测量也越来越重视了。
WCDMA系统的无源互调
在GSM900/1800和800MHzCDMA通信系统中，由发射频段产生的三阶互调产物会落入到它们各自的接收频段。
而WCDMA频段则不同，其发射频段（2110MHz～2170MHz）产生的三阶互调产物不会落入到其自身的接收频段
（1920MHz～1980MHz），而会落到发射频段。
通过以下数学计算可以来验证这个现象。
三阶互调产物FIM3=2F1-F2，其中F1=[2110、2170]，F2=[2110、2170]。
要证明FIM3≠[1920、1980]，只要求出FIM3的取值范围，再看这个集合与[1920、1980]是否有交集即可。
要求FIM3的取值范围，关键要求出其最小值FIM3(min)和最大值FIM3(max)：
FIM3(min)=2F1min-F2max=2×2110-2170=2050；FIM3(max)=2F1max-F2min=2×2170-2110=2230。
可见，FIM3=[2050、2230]与[1920、1980]无相交部分，也就是说FIM3≠[1920、1980]。
通过计算工具也可以表征WCDMA频段三阶互调的变化趋势，这种变化趋势与上述计算结果是一致的，见图1所示。
图1a表示了当F1=2110.0MHz，F2从2110.0MHz向2170.0MHz方向变化时，IM3从2050.0向2110.0MHz的变化趋势；图1b表示了当F1=2110.0MHz，F2从2170.0MHz向2110.0MHz方向变化时，IM3从2230.0向2110.0MHz的变化趋势。
从以上情况可以发现，无论F1和F2在2110.0MHz～2170.0MHz范围内如何变化，其IM3均不会落入到1920.0MHz～1980.0MHz频段，而会落到2050.0MHz～2170.0MHz频段。
此外，WCDMA系统的七阶互调会落入其接收频段，如IM7=4×2110-3×2170=1930MHz，有关这个问题将另文讨论。
在WCDMA系统中，如果在发射频段产生一个-110dBm的无源互调信号，也就是干扰信号，这可能会给系统带来影响，因为这个数值已经大于系统中有用信号的最小幅度了。
WCDMA系统发射频段的无源互调测量
在GSM900/1800和800MHzCDMA通信系统中，由发射频段产生的IM3会落入到各自的接收频段。
在这三种系统的无源互调测量系统中，通常采用双工器和滤波器来提取IM3值。
图2是一个典型的GSM900接收频段的二端口器件无源互调测量系统（BXTPIM900）。
当F1和F2通过DUT时，DUT的输出存在4个频率分量F1、F2、2F1-F2和2F2-F1，其中F1和F2直接被大功率低互调负载所吸收，而2F1-F2和2F2-F1则被双工器提取出来，滤波器则是为了进一步滤除F1和F2，以提高频谱分析仪的动态范围。
由于三阶互调产物全部落入接收频段，故可以采用标准的双工器和滤波器。
图2 BXTPIM900二端口无源互调测量系统
而WCDMA频段则不同，从上述分析中我们发现，其发射频段（2110MHz～2170MHz）产生的IM3值落到了发射频段，也就是说IM3值和F1及F2靠的很近。
在这种情况下，无法采用双工器将IM3提取出来，而要采用其它方法。
图3参照了IEC推荐的发射频段IM3测试方法。
二个46dBm的CW信号分别通过合路器合成到一条传输线中并加到DUT上，合成信号通过DUT后被一个低互调负载吸收，其中-30dB的信号被定向耦合器耦合出来，通过一个可调带通滤波器，在频谱分析仪上测试出允许的IM3值。
从测试原理和方法看，无源互调的测试并不复杂，但是要完成准确的测试却并不容易。
在搭建测试系统时，要注意系统中的每个环节。
（1）功率放大器。
在一些PIM测试系统中，通常采用43dBm的功放。
然而在WCDMA系统中，由于WCDMA信号的高峰均功率比而对系统的发射功率提出了更高的要求，也就是说WCDMA系统中的无源器件会在更高的射频功率电平下工作。
所以WCDMA无源互调测量系统中的功率应尽可能大，但是由于受到放大器成本和合路器功率容量的限制，通常采用46-47dBm的功率放大器。
（2）定向耦合器。
采用30dB定向耦合器是考虑到输入到频谱仪的F1和F2功率总和尽可能小，一来可使频谱仪工作在安全电平下，二来可避免大功率信号在频谱议内产生有源互调，可以通过带通滤波器将F1和F2抑制到0dBm 以下。
（3）滤波器。
由于WCDMA三阶互调产物落在发射频段，所以无法用固定滤波器来提取IM3分量。
可以采用可调的带通滤波器来完成这个功能。
带通滤波器的Q值应尽可能的高，建议采用五节带通滤波器。
（4）测试系统。
从无源互调测试原理考虑，测试系统应固化在标准机箱内。
这样可以避免很多影响测试精度的不确定因素，如可以用半柔电缆来替代编织电缆，合理掌握接头的连接力矩，防止系统中的器件的移动而导致的接触不良等因素影响测试。
（5）测试电缆。
在整个系统中，惟一需要经常移动的就是DUT和连接DUT的电缆。
虽然皱纹电缆和半柔电缆的自身无源互调性能很好，但是这些电缆并不能作为测试电缆应用，原因是不能反复弯曲。
所以，只能采用特种编织电缆或者微波电缆来做无源互调的测试电缆，如RG393，这种电缆自身的PIM值可以达到-165dBc。
图3 BXTPIM2100T WCDMA二端口无源互调测量系统
良好的通信质量是由载频/干扰比（C/I）指标来保证的，“I”值应尽可能低。
理想情况下，“I”值应小于接收机的噪声底。
从上述分析可以证明，产生无用干扰的一个主要原因就是无源互调。
WCDMA系统目前正处于起步阶段，其无源互调的测量也没有标准可依，目前只有少数企业在从事WCDMA无源互调测试的研究。
但由于这个指标会直接影响到无源器件的生产和制造，进一步影响到系统的性能，目前已有越来越多的无源器件制造商和基站制造商开始关心这个指标，相信在不远的将来就会有合适的无源互调测量系统诞生。