상호변조

Intermodulation
270MHz와 275MHz에서 주입된 두 신호 사이의 상호변조를 보여주는 주파수 스펙트럼 그림(큰 스파이크). 눈에 보이는 상호변조 제품은 280MHz, 265MHz에서 작은 스퍼로 보인다.
3차 순서 인터변조 제품(D3와 D4)은 증폭기의 비선형 거동의 결과물이다. 앰프에 대한 입력 전력 레벨은 각 연속 프레임에서 1dB씩 증가한다. 두 캐리어(M1과 M2)의 출력전력은 각 프레임에서 약 1dB씩 증가하며, 3차 인터변조 제품(D3와 D4)은 각 프레임에서 3dB씩 성장한다. 고차 인터변조 제품(5차순, 7차순, 9차순)은 앰프가 포화 상태를 지나 구동되기 때문에 매우 높은 입력 전력 수준에서 볼 수 있다. 포화 상태에 가까운 각 추가 입력 전력 dB는 증폭된 반송파에 들어가는 출력 전력의 비례적 감소와 원하지 않는 상호변조 제품에 들어가는 출력 전력의 비례적 증가를 초래한다. 포화 이상에서 추가 입력 전력은 출력 전력의 감소를 초래하며, 추가 입력 전력의 대부분은 열로 소산되고 두 반송파에 대한 비선형 상호 변조 제품의 수준은 증가한다.

상호변조(IM) 또는 상호변조 왜곡(IMD)은 시스템의 비선형성 또는 시간 분산에 의해 야기되는 둘 이상의 서로 다른 주파수를 포함하는 신호진폭 변조다. 주파수 성분들 간의 상호변조는 고조파 왜곡과 같은 두 주파수 중 하나의 고조파 주파수(정수자 배수)에서뿐만 아니라 원래 주파수의 합과 차이 주파수, 그리고 그러한 주파수의 복수 배수의 합과 차이에 있는 주파수에서 추가 구성요소를 형성할 것이다.

상호변조는 사용 중인 신호 처리(물리적 장비 또는 짝수 알고리즘)의 비선형 거동에 의해 발생한다. 이러한 비선형성의 이론적 결과는 특성의 볼테라 시리즈를 생성하거나 테일러 시리즈로 보다 근사하게 계산할 수 있다.[1]

사실상 모든 오디오 장비는 일부 비선형성을 가지고 있기 때문에 어느 정도의 IMD를 보일 것이다. 단, 이는 인간이 감지할 수 없을 만큼 낮을 수 있다. 인체 청각 시스템의 특성 때문에 동일한 비율의 IMD가 동일한 양의 고조파 왜곡에 비해 더 성가신 것으로 인식된다.[2][3][dubious ]

상호변조는 종종 사이드밴드의 형태로 원하지 않는 가짜 방출을 발생시키기 때문에 라디오에서도 일반적으로 바람직하지 않다. 무선 전송의 경우 이는 점유 대역폭을 증가시켜 인접 채널 간섭으로 이어지며, 이는 오디오 명확성을 감소시키거나 주파수 사용량을 증가시킬 수 있다.

IMD는 자극 신호가 다르다는 점에서 조화 왜곡과 구별될 뿐이다. 동일한 비선형 시스템은 총 고조파 왜곡(단독 사인파 입력 포함)과 IMD(더 복잡한 톤 포함)를 모두 생성한다. 예를 들어, 음악에서 IMD는 기기에서 연주되는 음조의 하위조화학에서 새로운 음색을 내기 위해 과구동 증폭기효과 페달을 사용하여 전기 기타에 의도적으로 적용된다. 자세한 내용은 전원 코드#분석을 참조하십시오.

IMD는 또한 변조될 신호가 의도적인 비선형 요소(복수)에 제시되는 의도적인 변조(초고도로디 수신기주파수 믹서 등)와도 구별된다. 믹서 다이오드 및 단일 트랜지스터 오실레이터-믹서 회로와 같은 비선형 혼합기를 참조하십시오. 그러나 수신된 신호와 국부 오실레이터 신호의 상호변조 제품이 의도된 반면, 슈퍼히터오디네 믹서기는 주파수에 가까운 강한 신호에서 수신기의 패스밴드 안에 들어가는 원하는 신호에 이르기까지 원하지 않는 상호변조 효과도 발생시킬 수 있다.

상호변조의 원인

선형 시스템은 상호변형을 생성할 수 없다. 선형 시간 변이 시스템의 입력이 단일 주파수의 신호인 경우 출력은 동일한 주파수의 신호로, 진폭위상만 입력 신호와 다를 수 있다.

비선형 시스템은 사인파 입력에 대응하여 고조파를 생성하는데, 즉, 비선형 시스템의 입력이 주파수 , 의 신호라면 출력은 입력 주파수 신호의 정수 배수를 포함하는 신호(예: , a, )이다., ,

상호변조는 비선형 시스템에 대한 입력이 두 개 이상의 주파수로 구성될 때 발생한다. 에서 세 가지 주파수 성분을 포함하는 입력 신호를 고려하십시오.

서 M \ {\은 각각 세 가지 구성요소의 진폭과 위상이다.

비선형 함수 y을 통해 입력 신호를 전달함으로써 출력 신호 ( t) G}을

( ) 은(는) 입력 신호의 세 가지 주파수(f{ 를 포함하며, 주파수의 여러 선형 결합을 포함한다. 각각.

여기서 b 는 양의 값이나 음의 값을 가정할 수 있는 임의의 정수다. 이것은 상호변조 제품(또는 IMM)이다.

일반적으로 이러한 주파수 성분은 각각 진폭과 위상이 다를 것이며, 이는 사용 중인 특정 비선형 함수와 또한 원래의 입력 성분의 진폭과 위상에 따라 달라진다.

보다 일반적으로, , ,f, … , f 임의적인 N을 포함하는 입력 신호에 따라 출력 신호는 여러 주파수 성분을 포함하며 각각은 다음과 같이 설명될 수 있다.

여기서 계수 , ,, 는 임의 정수 값이다.

상호변조순서

3차 조정의 분포: 파란색, 빨간색, 지배적인 IMF, 녹색의 특정 IMM의 위치.

주어진 상호변조 제품의 \ 순서는 계수의 절대값의 합이다.

예를 들어 위의 원래 예에서 3차 상호변조 제품(IMP)은 k + + = 3 \+ + :

많은 라디오 및 오디오 애플리케이션에서 홀수 순서 IMM은 원래 주파수 구성 요소 근처에 속하므로 원하는 동작을 방해할 수 있으므로 가장 관심이 많다. 예를 들어 회로의 세 번째 순서(IMD3)에서 발생하는 상호변조 왜곡은 1 }에 한 개와 }}에 한 개씩 두의 사인파로 구성된 신호를 보면 알 수 있다 이러한 사인파의 합을 입방체하면 다음과 같은 다양한 주파수에서 사인파가 나타난다. and . If and are large but very close together then and }}: 1 2

패시브 인터변조(PIM)

이전 절에서 설명한 바와 같이, 상호변조는 비선형 시스템에서만 발생할 수 있다. 비선형 시스템은 일반적으로 활성 구성 요소로 구성되는데, 이는 해당 구성 요소가 입력 신호가 아닌 외부 전원(즉, 활성 구성 요소는 "켜야" 함)에 치우쳐 있어야 한다는 것을 의미한다.

그러나 PIM(passive intermodulation)은 2개 이상의 높은 전력음을 받는 패시브 장치(케이블, 안테나 등 포함)에서 발생한다.[4] PIM 제품은 서로 다른 금속의 접합 부분이나 느슨한 부식된 커넥터와 같은 금속-산화물 접합 부분과 같은 장치 비선형도에서 두 개 또는 그 이상의 고전력 톤이 혼합된 결과물이다. 신호 진폭이 클수록 비선형성의 효과가 더 뚜렷해지고, 발생되는 상호변조가 더 두드러지게 나타난다. 초기 검사 시 시스템은 선형으로 보여서 상호변조를 발생시킬 수 없다.

"2광석 이상의 고출력 톤"에 대한 요구사항은 이산형 톤이 될 필요는 없다. 수동적 인터-변조도 단일 광대역통신사 내에서 서로 다른 주파수(즉, 서로 다른 "톤") 사이에서 발생할 수 있다. 이러한 PIM은 통신 신호에 사이드 밴드로 나타나 인접 채널을 방해하고 수신을 방해할 수 있다.

PIM은 저전력 수신 신호뿐만 아니라 고출력 송신 신호 모두에 단일 안테나를 사용하는 경우(또는 송신 안테나가 수신 안테나에 근접해 있는 경우) 현대 통신 시스템의 주요 관심사다. PIM 신호의 출력은 일반적으로 송신 신호의 출력보다 더 낮은 크기의 많은 순서가 있지만, PIM 신호의 출력은 수신 신호의 출력보다 같은 크기(그리고 아마도 더 높을 수 있음)의 순서에 있는 경우가 많다. 따라서 PIM이 수신 경로를 찾는 경우 수신 신호에서 필터링하거나 분리할 수 없다. 따라서 수신 신호는 PIM 신호에 의해 차단될 것이다.[5]

PIM의 출처

강자성 물질은 피해야 할 가장 흔한 물질이며 페라이트, 니켈(니켈 도금 포함), 강철(일부 스테인리스강 포함)을 포함한다. 이 물질들은 역방향 자기장에 노출될 때 이력(hysteresis)을 나타내며 PIM 생성을 초래한다.

또한 PIM은 냉간 또는 균열된 솔더 조인트 또는 기계적 접촉 불량과 같이 제조 또는 제조상의 결함이 있는 부품에서 생성될 수 있다. 이러한 결함이 높은 RF 전류에 노출되면 PIM을 생성할 수 있다. 그 결과, RF 장비 제조업체는 이러한 설계 및 제조 결함으로 인한 PIM을 제거하기 위해 부품에 대한 공장 PIM 테스트를 실시한다.

또한 PIM은 RF 전류가 채널을 좁히거나 제한되는 고출력 RF 구성 요소의 설계에 내재되어 있을 수 있다.

현장에서 PIM은 셀 사이트로 이동하는 과정에서 손상된 부품, 설치 기술 문제, 외부 PIM 소스에 의해 발생할 수 있다. 이 중 일부는 다음과 같다.

  • 먼지, 먼지, 습기 또는 산화 때문에 오염된 표면 또는 접점.
  • 토크가 불충분하거나 정렬 상태가 불량하거나 접촉면이 준비되지 않아 기계적 접합부가 느슨함
  • 운송, 충격 또는 진동 중에 발생하는 느슨한 기계적 접합부.
  • RF 연결부 내부의 금속 플레이크 또는 파편.
  • 다음 중 하나로 인해 RF 커넥터 표면 간의 금속 대 금속 접촉 불일치:
    • 끼인 유전체 재료(접착제, 폼 등), 동축 케이블의 외부 도체 끝에 균열 또는 왜곡이 발생하며, 설치 중 백 너트를 과도하게 조이거나, 준비 과정에서 왜곡된 고체 내부 도체, 준비 과정에서 변형된 빈 내부 도체가 과도하게 확대되거나 타원형으로 만들어지는 경우가 많다.
  • PIM은 커넥터에서도 발생할 수 있으며, 또는 두 개의 서로 일치하지 않는 금속으로 만들어진 도체가 서로 접촉할 때도 발생할 수 있다.
  • 녹슨 볼트, 지붕 깜박임, 환기 파이프, 남자 와이어 등을 포함한 송신 안테나의 직접 빔 및 측면 로브에 있는 근처 금속 물체

PIM 테스트

IEC 62037은 PIM 시험에 대한 국제 표준이며 PIM 측정 설정에 대한 구체적인 세부사항을 제공한다. 이 표준은 PIM 시험을 위한 시험 신호에 2 +43 dBm(20W) 톤의 사용을 명시한다. 이 전력 수준은 RF 장비 제조업체가 RF 구성품에 대한 PASS/FAIL 사양을 확립하기 위해 10년 이상 사용해 왔다.

전자 회로의 상호 변조

슬루 유도 왜곡(SID)은 첫 번째 신호가 앰프의 전력 대역폭 제품 한계에서 슬링(전압 변화)일 때 변조 간 왜곡(IMD)을 생성할 수 있다. 이는 효과적인 게인 감소를 유도하며, 부분적으로 진폭을 조절하여 두 번째 신호를 변조한다. SID가 신호의 일부에 대해서만 발생하는 경우, 이를 "변환적" 상호변조 왜곡이라고 한다.[6]

측정

오디오의 변조 간 왜곡은 일반적으로 RF 작업에서 흔히 볼 수 있듯이 개별 구성 요소 강도의 관점에서 데시벨 단위로 지정할 수 있지만, 원래 신호의 RMS 전압의 백분율로 다양한 총량과 차이의 신호의 RMS(root manage square) 값으로 지정된다. 오디오 IMD 표준 테스트에는 SMPTE 표준 RP120-1994가[6] 포함되며, 두 신호(60Hz 및 7kHz, 4:1 진폭 비)가 시험에 사용된다. 다른 많은 표준(DIN, CCIF 등)은 다른 주파수 및 진폭 비를 사용한다. 이상적인 시험 빈도 비율(예: 3:4 [7]또는 거의 - 정확하게는 아니지만 - 3:1)에 따라 의견이 달라진다.

시험 대상 장비에 낮은 왜곡 입력 사인파를 공급한 후 전자 필터를 사용하여 원래 주파수를 제거함으로써 출력 왜곡을 측정하거나 소프트웨어 또는 전용 스펙트럼 분석기푸리에 변환을 사용하거나 통신의 상호변조 효과를 결정할 때 스펙트럼 분석을 수행할 수 있다. 장비, 시험 대상 수신기를 사용하여 제작할 수 있다.

무선 애플리케이션에서, 상호변조는 인접 채널 출력비로 측정될 수 있다. 시험하기 어려운 것은 패시브 디바이스(PIM: 패시브 인터변조)에서 발생하는 GHz 범위의 인터변조 신호다. 이러한 스칼라 PIM 기구의 제조업체는 Summitek와 Rosenberger이다. 가장 최근의 개발은 PIM-소스에 대한 거리 또한 측정하기 위한 PIM-기구들이다. 안리쓰는 정확도가 낮은 레이더 기반 솔루션을, 허어만(Hauermann)은 정확도가 높은 주파수 변환 벡터 네트워크 분석기 솔루션을 제공한다.

참고 항목

참조

  1. ^ Rouphael, Tony J. (2014). Wireless Receiver Architectures and Design: Antennas, RF, Synthesizers, Mixed Signal, and Digital Signal Processing. Academic Press. p. 244. ISBN 9780123786418.
  2. ^ Francis Rumsey; Tim Mccormick (2012). Sound and Recording: An Introduction (5th ed.). Focal Press. p. 538. ISBN 978-1-136-12509-6.
  3. ^ Gary Davis; Ralph Jones (1989). The Sound Reinforcement Handbook (2nd ed.). Yamaha / Hal Leonard Corporation. p. 85. ISBN 978-0-88188-900-0.
  4. ^ 통신 시스템의 수동적 상호변조 간섭, P. L. L. Lui, 전자통신공학저널, 연도: 1990, 권: 2, 문제: 3, 페이지: 109 - 118.
  5. ^ "수동 상호변조 특성", M. Eron, 마이크로파 저널, 2014년 3월.
  6. ^ Jump up to: a b IM용 AES Pro 오디오 참조
  7. ^ http://www.leonaudio.com.au/3-4.ratio.distortion.measurement.pdf Graeme John Cohen: 3-4 비율; 왜곡 제품 측정 방법

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외부 링크