众所周知，有源器件会在系统中产生非线性效应。虽然已经开发了各种技术来在设计和操作阶段改善这种设备的性能，但是很容易忽略无源设备也可能引入非线性效应；尽管有时相对较小，但如果不加以校正，这些非线性效应可能会严重影响系统性能。PIM代表无源互调表示两个或两个以上信号通过具有非线性特性的无源器件传输时产生的互调产物。机械零件的相互作用通常会导致非线性效应，尤其是在两种不同金属的接合处。示例包括：电缆连接松动、连接器不干净、双工器性能不佳或天线老化等。无源互调是蜂窝通信行业中的一个主要问题，并且很难解决。在蜂窝通信系统中，PIM可能会造成干扰，降低接收机灵敏度，甚至完全阻塞通信。这种干扰可能会影响产生它的小区和附近的其他接收机。
比如LTE频段2，下行范围是1930 MHz到1990 MHz，上行范围是1850 MHz到1910 MHz。如果位于1940 MHz和1980 MHz的两个发射载波分别发射来自具有PIM的基站系统的信号，它们的互调将产生位于1900 MHz的分量，该分量落入接收频带，这将影响接收机。此外，2020 MHz的互调可能会影响其他系统。
图一。无源互调，落入接收机频带
随着频谱越来越拥挤，天线共享方案越来越普遍，不同载波互调产生PIM的可能性也越来越大。使用频率规划来避免PIM的传统方法变得越来越不可行。除了上述挑战，CDMA/OFDM等新数字调制方案的采用意味着通信系统的峰值功率也在增加，这使得PIM问题更加严重。
对于服务提供商和设备供应商来说，PIM是一个突出而严重的问题。尽可能地测试和解决这个问题，可以提高系统的可靠性，降低运行成本。本文试图对PIM的起源和原因以及检测和解决PIM的技术进行评论。
01PIM分类初步调查显示，PIM有三种不同的类型，每种类型都有不同的特点，需要不同的解决方案。我们选择根据以下类型对其进行分类：设计导入PIM、装配PIM和生锈PIM。
在设计中引入PIM
我们知道，一些无源器件会与其传输线一起产生无源互调。因此，在设计系统时，开发团队应根据器件制造商给出的规格，选择PIM最小或处于可接受水平的无源器件。循环器、双工器和开关特别容易产生PIM效应。如果设计人员可以接受更高水平的无源互调，他们就可以选择成本更低、尺寸更小或性能更低的器件。
2.器件设计中的权衡：尺寸、功耗、抑制和PIM性能。如果设计人员真的选择了性能较低的器件，相应的高电平交调可能会回落到接收机频段，导致接收机灵敏度降低。必须注意的是，在这种情况下，较差的频谱辐射或功率效率损失可能不如PIM引起的接收机灵敏度降低那么重要。这个问题在小型蜂窝无线电的设计中尤其重要。目前，ADI公司正在开发一种技术，可以从接收信号中检测、模拟和消除(抵消)双工器等静态无源器件的PIM(见图3)。
图3。PIM的产生和PIM消除算法。这种算法是有效的，因为它知道载波信息，并可以使用接收机相关性来确定互调伪像，然后从接收信号中消除它们。
当相关性不再能够用于确定互调伪像时，这种算法的局限性就开始显现了。图4显示了一个例子。在这个例子中，两个不同的发射机共享一个天线。假设每条路径的基带处理是相互独立的，那么该算法不太可能知道两者的信息，因此它能够在接收端执行的相关和抵消处理将是有限的。
图4。多个信号源共享一个天线
除了PIM挑战的复杂性，——站点访问和成本也给服务提供商带来了挑战，我们开始发现越来越多不同发射机共用一个宽带天线的情况。它的架构可以是各种频段和格式的混合：TDD FDDTdd: f a d，FDD: B3，等等。
图5显示了这种配置的概况。在本例中，客户试图实施一个复杂但现实的配置。一个分支是TDD双频，另一个分支是FDD单频，使用双工器。信号汇聚并共享一个天线。Tx1和Tx2信号之间的无源交叉调制发生在从组合器到天线的传输线路中以及天线本身中。由此产生的互调伪像回落到FDD接收机频段Rx2。
图5。FDD/TDD单天线实现方案图6给出了双频系统的实际分析。注意，在本例中，我们需要考虑三阶以上的无源调制伪像。在这种情况下，重点是从一个频带(内部)回落到另一个接收机频带的互调伪像。
图6。多频PIM问题组装PIM
虽然系统安装后可以令人满意地运行，但经过一段时间后，其性能往往会因天气或初始安装质量差而下降。当这种情况发生时，无源元件(连接器、电缆、电缆组件、波导组件、元件等)。)通常开始表现出非线性行为。事实上，一些主要的PIM现象是由连接器、连接甚至天线本身的馈线引起的。这种影响可能类似于上述设计中引入的PIM，因此可以使用相同的PIM测量理论，专门用于发现无源互调产物的存在。
导致组件PIM的典型因素有：
连接器的适配器接口(通常为N型或DIN7/16)
附件(电缆/连接器接头的机械稳定性)
材料(推荐使用黄铜和铜，铁磁材料具有非线性特性)
清洁度(灰尘污染或水蒸气)
电缆因素(电缆的质量和坚固性)
机械强度(风和振动引起的变形)
电加热PIM(原因是包络不恒定的射频信号消耗的功率随时间变化，导致温度变化，进而导致电导率的变化。)
温度变化大的环境、含盐/污染的空气或过度振动往往会加剧PIM问题。虽然可以使用与设计引入的PIM相同的PIM测量技术，但可以认为组件PIM的存在表明系统的性能和可靠性降低。如果不解决，导致PIM的缺陷因素可能会变得更严重，直到整个传输路径失效。使用PIM消除方法进行装配PIM更像是掩盖问题而不是解决问题。
可想而知，在这样的情况下，用户可能并不是想取消PIM，而是想知道PIM的存在，以便消除根源。因此，首先需要确定PIM是从系统的什么地方引入的，然后修理或更换特定的部件。
我们可以认为设计引入的PIM是可量化的，稳定的，但上述的组装PIM是不稳定的。它可能存在于一组非常狭窄的条件下，其幅度可能变化超过100 dB。单次离线扫描可能无法捕获此类案例；理想情况下，传输线路诊断需要与PIM事件相协调。
天线外部的PIM(生锈PIM)
PIM不限于有线传输路径，也可能出现在天线之外。这种效应也被称为rust PIM 。在这种情况下，无源互调发生在信号离开发射机天线之后，产生的互调被反射回接收机。术语生锈的身体在许多情况下，串扰源可能是生锈的金属物体，如铁丝网、仓库或排水管。
金属物体会引起反射。但在这些情况下，金属物体不仅会反射接收到的信号，还会产生并辐射互调伪像。调制发生的方式与有线信号路径相同，即发生在两种不同金属或不同材料的交界处。电磁波产生的表面电流会混合并重新辐射出去(见图7)。再辐射信号的幅度通常非常低。但是，如果受辐射的物体(生锈的铁丝网、仓库或下水道管道等。)靠近基站接收机，并且互调产物落在接收机频带内，则接收机将会不灵敏。
图7。PIM外部天线或铁锈体
在某些情况下，可以通过天线定位来检测PIM源：当改变天线位置时，可以监测PIM水平。此外，时延估计也可用于定位PIM源。如果PIM水平稳定，可以使用标准算法消除技术来补偿PIM。但在更多情况下，PIM贡献会受到振动、风和机械运动的影响，因此很难抵消。
02PIM检测：定位PIM源行扫描
可以实现多种线扫描技术。线扫描测量传输系统在目标频段的信号损耗和反射。我们可以我不认为行扫描总是能准确地指出PIM的可能原因。线路扫描更像是一种诊断工具，可以帮助识别传输线路上的问题。早期装配问题可能表现为PIM；如果得不到解决，这些装配问题可能会升级，导致更严重的输电线路故障。行扫描通常分为两种基本测试：回波损耗和插入损耗。两者都和频率有很大的关系，在指定的频段内两者都可能有很大的变化。回波损耗衡量天线系统的功率传输效率。确保将反射回发射机的功率降至最低。
任何入射功率都可能使传输信号失真；如果反射功率足够大，甚至会损坏发射机。2dB的回波损耗值意味着发射信号有1%被反射回发射机，99%到达天线——，一般认为是相当不错的性能。1dB的回波损耗意味着10%的信号被反射，表明性能不理想。如果测得的回波损耗为0 dB，则100%的功率被反射，很可能是开路或短路引起的。
时域反射
先进的TDR技术可用于提供最佳系统的参考图，并确定损耗开始的传输路径的确切位置。通过这种技术，运营商可以定位无源互调源，从而有针对性、高效地进行维修。传输映射还可以提醒操作员一些早期故障迹象，以防止它们严重影响性能。时域方法(TDR)测量信号通过传输线的反射。TDR仪器使一个脉冲通过介质，然后将未知传输环境产生的反射与标准阻抗产生的反射进行比较。图8示出了简化的TDR测量设置框图。
图8。TDR设置框图图9显示了TDR传输线路映射示例。
图9。TDR传输线映射频域反射
虽然TDR和FDR的工作原理都是沿着传输线发送激励信号，分析反射，但是这两种技术的实现方式有很大的不同。FDR技术使用射频信号扫描，而不是TDR中使用的DC脉冲。此外，FDR比TDR更灵敏，可以更准确地定位系统性能故障或退化的位置。频域反射法的原理涉及源信号和反射信号的矢量相加(来自输电线路中的故障和其他反射特性)。TDR使用非常短的DC脉冲作为激励信号，可以覆盖非常宽的带宽，而FDR在特定的目标频率(通常在系统的预期工作范围内)扫描射频信号。
图10。FDR原理，扫描频率回波损耗与PIM定位距离的关系
必须注意，虽然线路扫描可以指示阻抗不匹配，从而指示传输线PIM源，但PIM和传输线阻抗不匹配可能是互斥的。当线路扫描结果未显示任何传输线路问题时，可能会出现PIM非线性。因此，为了向用户提供一种解决方案，不仅指示PIM的存在，而且准确地识别问题在哪里
集成PIM电路测试的工作模式类似于引入PIM消除进行设计所描述的工作模式，不同的是算法检查互调产物的时延估计。应当注意，在这些情况下，优先考虑的不是消除PIM伪像，而是传输线路上发生交调的位置。这个概念也被称为PIM定位(DTP)。例如，在双音测试中，
信号音1:
信号音2:
W1和w2是频率；1和2是初始相位；T0是初始时间。
IMD(例如低端)将是：
许多现有的解决方案要求用户中断传输路径并插入PIM标准器件(它可以产生固定量的PIM来校准测试设备)。使用PIM标准设备可以为用户提供参考IMD，它位于传输路径中的特定位置/距离，并且具有已知的相位。图11(a)示出了概况。IMD相位32(如图11所示)用作参考位置0。
图11。PIM定位的初始校准完成后，重建系统并测量系统的PIM，如图11(b)所示。32和之间的相位差；32可用于计算到PIM的距离。
其中d是到PIM的距离，s是波的传播速度(取决于传输介质)。
装配锈皮可能是一个缓慢增长的过程；在安装后的初始阶段，基站可以高效工作，但经过一段时间后，这种PIM现象可能开始变得突出。振动或风等环境因素可能会影响PIM的水平，因此PIM的性质和特征会动态波动。可能不仅很难掩盖或取消PIM，还可能被认为掩盖了更严重的问题，如果不解决可能导致整个系统的失败。在这种情况下，运营商将希望避免与整个系统关闭相关的成本，并快速找到导致PIM的设备并进行更换。
PIM技术(DTP)还为基站运营商提供了跟踪系统性能随时间推移而下降并提前发现潜在问题的可能性。有了这些信息，就可以在有计划的维护期间替换薄弱点，并且可以避免代价高昂的系统停机和特殊维护工作。
结论无源交叉调制并不是什么新鲜事。这种现象已经存在很多年了，知道也有一段时间了。近年来，该行业的两种不同变化将它带回了人们的视线的愿景：
一个
先进的算法现在能够以智能的方式检测和定位PIM，并对其进行适当的补偿。过去，无线电设计人员必须选择能够满足特定PIM性能要求的器件，但在PIM消除算法的帮助下，他们现在有了更大的选择自由。他们可以选择实现更高的性能，或者用成本更低、尺寸更小的器件实现相同的性能水平。消除算法以数字方式辅助硬件组件。
2
随着基站塔密度和多样性的爆炸式增长，我们面临着特殊系统设置(如天线共享)带来的新挑战。算法消除依赖于主传输信号的知识。当塔上的空间很宝贵时，不同的发射机可能共用一个天线，这就大大增加了PIM效应不好的可能性。在这种情况下，算法可以知道发射机路径的某些部分的信息，并且有效地工作。然而，当传输路径的一些信息未知时，第一代高级PIM消除算法的性能或实现可能受到限制。
随着基站设备领域的挑战不断增加，PIM检测和消除算法有望在短期内为无线电设计人员带来可观的收益和优势，但开发工作需要跟上未来挑战的步伐。
标签：PIM信号系统