三階互調(diào)的計(jì)算及IP3測(cè)試原理和方法
三階交截點(diǎn)(IP3)是衡量通信系統(tǒng)線性度的一個(gè)重要指標(biāo)，他反映了系統(tǒng)受到強(qiáng)信號(hào)干擾時(shí)互調(diào)失真的大小。當(dāng)系統(tǒng)的IP3較高時(shí)，要精確測(cè)試IP3會(huì)比較困難，因?yàn)闇y(cè)試環(huán)境中各種因素(如測(cè)試配件的隔離度、線性度和匹配性等)都容易影響高IP3的測(cè)試。下面將簡(jiǎn)略介紹IP3的測(cè)試原理，詳細(xì)分析高IP3的測(cè)試方法。
1 IP3測(cè)試原理
在無(wú)線通信設(shè)備中，器件(如放大器、混頻器、調(diào)制/解調(diào)器等)的非線性通常會(huì)使同時(shí)侵入2個(gè)或多個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)發(fā)生相互調(diào)制，并產(chǎn)生新的頻率成分，這種現(xiàn)象稱為互調(diào)。互調(diào)干擾不僅能降低有用信號(hào)的功率，引起信號(hào)失真，降低系統(tǒng)選擇性，還能破壞鄰近信道的性能。因此，互調(diào)性能是系統(tǒng)常檢指標(biāo)，通常用IP3來(lái)表示。
IP3是工作頻率信號(hào)在理想線性系統(tǒng)中的輸出信號(hào)與三階互調(diào)分量幅值相等時(shí)的交點(diǎn)，是一個(gè)固定點(diǎn)。如圖1所示［1］。該點(diǎn)是虛交點(diǎn)，實(shí)際系統(tǒng)中無(wú)法直接測(cè)出，但可以通過相關(guān)的測(cè)量值計(jì)算出來(lái)。下面將簡(jiǎn)單介紹IP3計(jì)算式的原理。
雖然侵入系統(tǒng)的強(qiáng)信號(hào)可能有2個(gè)或2個(gè)以上，但為了測(cè)試的方便，假設(shè)只有2個(gè)強(qiáng)的等幅單音信號(hào)侵入了系統(tǒng)。若用一個(gè)冪級(jí)數(shù)來(lái)表示器件的非線性作用，并假設(shè)單音信號(hào)的頻率分別為f1和f2，那么不難推出三階互調(diào)分量的頻率為(2f1－f2)或(2f2－f1)。IP3(IIP3，OIP3)的計(jì)算式為［2］：
其中：IIP3為輸入IP3，是IP3的橫坐標(biāo)；
OIP3為輸出IP3，是IP3的縱坐標(biāo)；
Pin為單音信號(hào)的輸入功率電平；
Pout為單音信號(hào)的輸出功率電平；
G為被測(cè)件(Device Under Test - DUT)的小信號(hào)增益。
IMD3為三階互調(diào)失真，他等于干擾信號(hào)的輸出功率電平減去三階互調(diào)量功率電平的值，即：
式(2)中各元素的關(guān)系如圖2所示。由式(1)和(2)可知，如果測(cè)出單音信號(hào)的輸入/輸出功率和三階互調(diào)分量的電平值，就可求出輸入/輸出IIP3的值。
2 高IP3的測(cè)試方法
IP3的一般測(cè)試方法是按照?qǐng)D3搭建測(cè)試環(huán)境，向DUT輸入2個(gè)強(qiáng)的單音信號(hào)，測(cè)出DUT輸出端單音信號(hào)的電平和三階互調(diào)產(chǎn)物的電平，再利用式(1)和式(2)計(jì)算出IP3的大小。
當(dāng)DUT的線性度較好時(shí)，其IP3較高。測(cè)試這種IP3有2個(gè)特點(diǎn)：一是輸入的單音信號(hào)很強(qiáng)；二是產(chǎn)生的三階互調(diào)分量很弱。由于強(qiáng)信號(hào)輸入容易使測(cè)試系統(tǒng)其他器件也進(jìn)入非線性狀態(tài)，產(chǎn)生同頻的互調(diào)分量或其他雜波；弱互調(diào)分量容易被大信號(hào)掩蓋，所以高IP3的測(cè)試工作不能簡(jiǎn)單按照一般測(cè)試方法進(jìn)行，需做一些改進(jìn)：
(1)選用高質(zhì)量的信號(hào)源
信號(hào)源本身具有非線性，有一定的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)信號(hào)源輸出大功率信號(hào)時(shí)，一些器件進(jìn)入非線性狀態(tài)，使得輸出信號(hào)質(zhì)量大大降低，如含有各種雜波或多次諧波。因此需選用高質(zhì)量的信號(hào)源，如合成信號(hào)源，他的線性度較高，噪聲比較低。
(2)隔離2個(gè)信號(hào)源，減小他們的相互作用 如果不隔離2個(gè)信號(hào)源，他們的自適應(yīng)邏輯電路會(huì)相互作用產(chǎn)生互調(diào)分量［3］，影響DUT弱互調(diào)分量的測(cè)試。因此最好在每個(gè)信號(hào)源與功率合成器之間加一個(gè)隔離器。鐵氧體磁性材料隔離器是較理想的選擇，因?yàn)樗母綦x度高，差損小。也可以選用10～20 dB的固定衰減器來(lái)隔離，但他們的隔離度不高，為了補(bǔ)償衰減器的衰減量需要加大信號(hào)源的輸出功率，因此采用固定衰減器不是理想選擇。
(3)選用線性好的功率合成器
功率合成器也有一定的非線性，遭遇強(qiáng)信號(hào)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生同頻互調(diào)分量，如果他的互調(diào)分量較大，就會(huì)掩蓋DUT產(chǎn)生的弱互調(diào)分量。因此，需采用易匹配且線性度高的功率合成器，如阻性功率合成器。他基本上完全線性，自己不會(huì)產(chǎn)生互調(diào)分量，并且各個(gè)端口具有良好的匹配性。
(4)增強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)的匹配性
系統(tǒng)的匹配性非常重要，為確保系統(tǒng)的良好匹配，可在功率合成器與DUT之間和頻譜儀與DUT之間分別加一個(gè)6～10 dB的固定衰減器［3］。系統(tǒng)統(tǒng)一采用50Ω匹配。
(5)選用動(dòng)態(tài)范圍大的頻譜分析儀
頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍是指在能以給定不確定度測(cè)量較小信號(hào)的頻譜分析儀輸入端同時(shí)存在的最大信號(hào)與最小信號(hào)之比。當(dāng)測(cè)試高IP3時(shí)，輸入頻譜儀的單音信號(hào)幅度很大而三階互調(diào)分量幅度又很小，如果頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍不夠?qū)o(wú)法同時(shí)測(cè)出這2種信號(hào)的大小，因此需選用大動(dòng)態(tài)范圍的頻譜分析儀。
(6)需判別測(cè)試結(jié)果的有效性
頻譜分析儀的前端結(jié)構(gòu)如圖4所示。頻譜分析儀的IP3通常不高，如安捷倫PSA系列頻譜儀(E444xA)在混頻器輸入電平為－30 dBm時(shí)，其IIP3小于＋20 dBm。所以測(cè)試高IP3時(shí)不能忽略頻譜儀的非線性，輸入DUT的強(qiáng)單音信號(hào)也會(huì)在頻譜儀中相互調(diào)制產(chǎn)生同頻的互調(diào)分量。當(dāng)該互調(diào)分量較大時(shí)就需判斷頻譜儀上顯示的互調(diào)分量主要是DUT產(chǎn)生的還是頻譜儀自身產(chǎn)生的，即判斷測(cè)試結(jié)果是否有效。下面總結(jié)了3種判斷方法：
①改變頻譜儀射頻輸入衰減器的衰減量(如加大或減小10 dB)，觀察互調(diào)分量的電平值是否相應(yīng)減少或增加。如果該電平值改變了，則說明頻譜儀產(chǎn)生的互調(diào)分量電平值不能忽略，測(cè)試結(jié)果無(wú)效。這是最簡(jiǎn)單的判斷方法。
②在其他條件不變的情況下，比較加上DUT和不加DUT測(cè)得的互調(diào)分量電平值。如果后者的電平值比前者的小得多則說明所測(cè)結(jié)果是DUT產(chǎn)生的互調(diào)分量；否則，測(cè)試結(jié)果無(wú)效。
③一般的頻譜儀手則上都會(huì)給出在混頻器輸入信號(hào)電平為某個(gè)值(如－30 dBm)時(shí)各個(gè)頻段三階互調(diào)失真的大小或直接給出各個(gè)頻段IIP3的值。因此，可利用式(1)和式(2)計(jì)算頻譜分析儀產(chǎn)生的三階互調(diào)分量大小。比較計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果，如果計(jì)算值比測(cè)試結(jié)果小得多，則測(cè)試結(jié)果為有效值。
當(dāng)測(cè)試結(jié)果無(wú)效時(shí)，解決辦法之一是減小2個(gè)單音信號(hào)的輸入電平或加大頻譜儀輸入衰減器的衰減量。另一種是用測(cè)試結(jié)果(dBm轉(zhuǎn)化為mW)減去利用判斷方法③得出的頻譜儀互調(diào)分量大小(mW)，從而得到DUT互調(diào)分量的大小(mW)。
在測(cè)試過程中還需注意：
(1)IP3的計(jì)算式(1)是在假設(shè)輸入DUT的2個(gè)干擾信號(hào)電平相等的前提下得到的。如果2個(gè)干擾信號(hào)電平不等，計(jì)算公式需調(diào)整［1］：
(2)一般情況下，當(dāng)2個(gè)單音信號(hào)的幅度均減少1 dB時(shí)，三階互調(diào)分量的電平值會(huì)減少3 dB，IMD3將相應(yīng)增加2dB。可見，減少單音信號(hào)的輸入幅度可大大減少三階互調(diào)分量的幅度。
因此，要減少測(cè)試環(huán)境中其他配件的非線性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，最行之有效的方法是盡可能地減小單音信號(hào)的電平值。
(3)測(cè)試環(huán)境中的連接電纜應(yīng)盡量不要彎曲(特別是在接頭處)，以防止增加信號(hào)反射，產(chǎn)生過多的互調(diào)產(chǎn)物，影響測(cè)試準(zhǔn)確性。為保持測(cè)試系統(tǒng)互調(diào)特性的穩(wěn)定，測(cè)試環(huán)境不要輕易挪動(dòng)，每個(gè)端口的接頭都要擰緊。
3 實(shí)驗(yàn)
根據(jù)該測(cè)試方法，對(duì)CDMA2000基站接收通道射頻輸入部分(從低噪聲放大器輸出端到第一混頻器輸出端)的IP3進(jìn)行了測(cè)試。其測(cè)試原理圖如圖5所示。其中，E4432B和E4440A均為Agilent公司的測(cè)試儀器。信號(hào)源輸出的單音信號(hào)頻率是根據(jù)3GPP2協(xié)議要求來(lái)確定的：分別偏離中心頻率(454 MHz)＋900 kHz和＋1700 kHz。
在混頻器輸出端的信號(hào)頻率分別為70．9 MHz和71．7 MHz，即分別偏離中頻頻率(70 MHz)＋900 kHz和＋1 700 kHz，用E4440A測(cè)得DUT信號(hào)經(jīng)衰減器后的電平值均為－17．8 dBm。表1是測(cè)試結(jié)果。
如果采用一般的測(cè)試方法，得到的IIP3值為28．7 dBm。由此可見，采用上面介紹的高IP3測(cè)試方法，大大提高了高IP3的測(cè)試準(zhǔn)確度。