Что такое пассивная интермодуляция (PIM)

Часто в характеристиках антенн, разъемов, переходников и кабелей можно увидеть такой показатель, как уровень интермодуляционных продуктов. Он измеряется в дБн (dBc) — мощности излучения по отношению к основной (несущей) частоте. Что это такое и чем опасны интермодуляционные искажения в системах сотовой связи? Давайте разбираться.

Линейные и нелинейные системы

На практике, работая с радиооборудованием, мы всегда имеем дело с нелинейными системами. В отличие от математических абстракций, ВЧ-сигнал, передаваемый по кабелю, проходящий по разъемам, стыкам и переходникам, подвергается множеству воздействий и искажений, нарушающих общую линейность системы.

В идеальной умозрительной системе сигнал, проходя по трассе, на выходе может отличаться лишь амплитудой (затуханием) и фазой. На практике все совсем иначе, и из-за этого в нелинейной системе возникают многочисленные побочные сигналы. К таким сигналам относятся гармоники и интермодуляционные продукты.

Гармоники

Из школьного курса физики известно, что сигналы производят дополнительные «отголоски» себя — гармоники. Гармоники всегда возникают на кратных частотах. Например, GSM-сигнал в частоте 935 МГц произведет гармонику на частоте 1870 МГц (935 x 2), 3740 МГц (935 x 4), 5610 МГц (935 x 6) и т. д.

Здесь и далее графики приведены в виде примера для иллюстрации. Масштабы не соблюдены.

Гармоники — естественный физический эффект, который принимается во внимание при проектировании радиосистем. Как правило, они не создают проблем, поскольку располагаются на большом расстоянии от несущей частоты и часто отсекаются оборудованием, рассчитанным на более узкий диапазон. Кроме того, следует помнить, что каждая последующая гармоника многократно «слабее» предыдущей.

Интермодуляция

Интермодуляция — другой тип «побочных» сигналов, возникающих, когда в системе передается как минимум два основных сигнала разной частоты. Эти побочные эффекты называются «интермодуляционными продуктами», а в случае их влияния на полезный сигнал — «интермодуляционными искажениями».

Интермодуляционные сигналы возникают на частотах, которые являются суммами или разностями основных частот и/или их гармоник. Это определение может показаться сложным, поэтому давайте вернемся к нашему примеру с частотой GSM-сигнала.

Предположим, что в момент времени передача данных происходит одновременно на частотах 935 и 960 МГц. Это две «крайние» частоты приема в стандарте GSM-900, вся же полоса частот загрузки в стандарте GSM-900 — это 935–960 МГц. В зависимости от региона России частоты 935 и 960 МГц могут принадлежать разным операторам.

Эти сигналы производят гармоники на частотах 1870 и 1920 МГц соответственно. Для простоты возьмем лишь эти значения: разумеется, в случае необходимости аналогичные расчеты можно сделать и для последующих гармоник.

Обозначим базовые частоты как f₁ и f₂:

f₁ = 935 МГц

f₂ = 960 МГц

«Ближайшие» гармоники этих сигналов принято обозначать следующим образом:

2f₁ = 1870 МГц

2f₂ = 1920 МГц

Несущиие частоты 935 и 960 МГц и их гармоники

Так вот, интермодуляция будет возникать на частотах, которые являются суммой и разностью всех этих значений. Проще говоря, побочные сигналы могут появиться на частотах:

f₁ + f₂ = 935 + 960 = 1895 МГц

f₂ - f₁ = 960 - 935 = 25 МГц

2f₁ + f₁ = 1870 + 935 = 2805 МГц

2f₁ + f₂ = 1870 + 960 = 2830 МГц

2f₁ - f₂ = 1870 - 960 = 910 МГц

2f₂ + f₁ = 1920 + 935 = 2855 МГц

2f₂ - f₁ = 1920 - 935 = 985 МГц

2f₁ + 2f₂ = 1870 + 1920 = 3790 МГц

2f₂ - 2f₁ = 1920 - 1870 = 50 МГц

Некоторые интермодуляционные продукты несущих частот 935 и 960 МГц

Очевидно, что когда в расчеты добавляются последующие гармоники (3f₁, 3f₂, 4f₁, 4f₂ и т. д.), количество сочетаний многократно возрастает. И все эти интермодуляционные сигналы могут возникнуть в системе передачи данных!

Как легко заметить, многие помехи придутся на частоты, далеко отстоящие от несущих. В большинстве случаев их можно игнорировать, поскольку они фильтруются узкополосным активным оборудованием. Но в некоторых случаях с ними придется бороться, и в особенности это касается интермодуляционных продуктов третьего и пятого порядков.

Порядок интермодуляции

Порядок интермодуляции — это показатель того, насколько «далекая» гармоника участвовала в образовании побочного сигнала.

С математическиой точки зрения порядок — это сумма коэффициентов, которые в записи ставятся перед гармониками и указывают их номер. Коэффициенты берутся по модулю (без знаков «плюс» или «минус»).

Для самих несущих частот коэффициент принят за 1. Для «ближайшей» гармоники коэффициент — 2, для следующей — 3 и т. д. Это хорошо видно в записи. Например, у гармоники 2f₁ — коэффициент 2, у гармоники 3f₂ — коэффициент 3 и так далее.

• Таким образом, за первый порядок принято считать сами несущие частоты f₁ и f₂;
• Интермодуляцией второго порядка называются побочные сигналы, образованные несущими частотами (f₁ + f₂ и f₁ - f₂);
• Интермодуляция третьего порядка — побочный сигнал, образованный несущей частотой и одной из ближайших гармоник (например, 2f₁ - f₂);
• Интермодуляция четвертого порядка возникает при взаимодействии двух ближайших гармоник (например, 2f₂ - 2f₁);
• Интермодуляция пятого порядка возникает при взаимодействии гармоник с коэффициентами 3 и 2, а также при взаимодействии гармоники с коэффициентом 4 с несущими частотами (например 3f₁ - 2f₂);
• … и так далее.

В силу математических свойств, наиболее «опасными» в радиосвязи оказываются интермодуляционные помехи нечетного порядка, поскольку они «вплотную» подбираются к несущим частотам и могут оказывать на них воздействие. В системах сотовой связи наибольшее значение имеют интермодуляционные помехи третьего и пятого порядков.

Причины возникновения пассивной интермодуляции

Как следует из названия, пассивной интермодуляцией называются побочные сигналы, возникающие в пассивных элементах радиосистемы: антеннах, разъемах, кабелях и переходниках. Интермодуляция возникает в силу нелинейности этих элементов. Нелинейность обуславливают:

• неоднородность контактов, вызванная загрязнением, коррозией, пылью, механическими повреждениями и т. п.;
• использование соединителей из неподходящего, разнородного материала;
• «стыковые» соединения без пайки;
• применение низкокачественных кабелей (с экраном низкой плотности).

Пассивная интермодуляция и оборудование

Как правило, производители пассивного оборудования указывают уровень интермодуляционного сигнала определенного порядка. В паспорте изделия эта характеристики может быть обозначена словами PIM (Passive InterModulation) или IMP (InterModulation Products).

Соответственно PIM3 означает интермодуляционные сигналы третьего порядка, PIM5 — пятого порядка и т. д. Если для оборудования заявлена характеристика PIM3 = -160 дБн, значит, уровень создаваемого им побочного сигнала третьего порядка будет на 160 дБ меньше, чем уровень основного (несущего) сигнала. Например, делитель со значением PIM3 = -160 дБн будет чуть лучше делителя с PIM3 = -150 дБн. Это очень хороший показатель.

Сильные интермодуляционные помехи могут снизить качество связи и существенно повысить уровень нежелательного шума.

Как сократить интермодуляционные помехи?

Для сокращения интермодуляционных помех важно использовать качественные комплектующие с низкими показаниями PIM. Чтобы снизить интермодуляцию, следуйте следующим простым правилам:

• Используйте ВЧ-разъемы с прочным резьбовым соединением (N-типа, 7/16 и подобные). ТВ-разъемы (F-типа) применяйте только как эконом-вариант для систем начального уровня;
• Выполняйте монтаж центральной жилы и контактов пайкой. Избегайте цанговых разъемов типа N-112C/10D, где в целях экономии времени подразумевается обжим иголки вместо пайки;
• Применяйте кабели с гофрированным медным экраном или сетчатой оплеткой плотностью не менее 100%;
• Не используйте комплектующие, покрытые коррозией, грязью или пылью;
• Избегайте установки ВЧ-системы в непосредственной близости с другими системами, используемыми в том же здании (ТВ, радио, WiFi). Их основная частота будет отличаться от вашей, но их интермодуляционные помехи 2–5 порядков могут прийтись на частоты вашей системы.