Intermodulação - Intermodulation

Um gráfico de espectro de frequência mostrando a intermodulação entre dois sinais injetados em 270 e 275 MHz (os grandes picos). Os produtos de intermodulação visíveis são vistos como pequenos spurs a 280 MHz e 265 MHz.
Os produtos de intermodulação de 3ª ordem (D3 e D4) são o resultado do comportamento não linear de um amplificador. O nível de potência de entrada no amplificador é aumentado em 1 dB em cada quadro sucessivo. A potência de saída das duas portadoras (M1 e M2) aumenta cerca de 1 dB em cada quadro, enquanto os produtos de intermodulação de 3ª ordem (D3 e D4) crescem 3 dB em cada quadro. Produtos de intermodulação de ordem superior (5ª ordem, 7ª ordem, 9ª ordem) são visíveis em níveis de potência de entrada muito altos à medida que o amplificador passa da saturação. Perto da saturação, cada dB adicional de potência de entrada resulta em proporcionalmente menos potência de saída indo para as portadoras amplificadas e proporcionalmente mais potência de saída indo para produtos de intermodulação indesejados. Na saturação e acima, a potência de entrada adicional resulta em uma diminuição em potência de saída, com a maior parte dessa potência de entrada adicional sendo dissipada como calor e aumentando o nível dos produtos de intermodulação não linear em relação às duas portadoras.

Intermodulação ( IM ) ou distorção de intermodulação ( IMD ) é a modulação de amplitude de sinais contendo duas ou mais frequências diferentes , causada por não linearidades ou variação de tempo em um sistema. A intermodulação entre componentes de frequência formará componentes adicionais em frequências que não estão apenas em frequências harmônicas ( múltiplos inteiros ) de qualquer um, como distorção harmônica , mas também na soma e diferença de frequências das frequências originais e em somas e diferenças de múltiplos daquelas frequências.

A intermodulação é causada pelo comportamento não linear do processamento do sinal (equipamento físico ou mesmo algoritmo) sendo utilizado. O resultado teórico dessas não linearidades pode ser calculado gerando uma série de Volterra da característica, ou mais aproximadamente por uma série de Taylor .

Praticamente todos os equipamentos de áudio possuem alguma não linearidade, portanto, exibirão alguma quantidade de DIM, que, entretanto, pode ser baixa o suficiente para ser imperceptível por humanos. Devido às características do sistema auditivo humano , a mesma porcentagem de DIM é percebida como mais incômoda quando comparada à mesma quantidade de distorção harmônica.

A intermodulação também é geralmente indesejável no rádio, pois cria emissões espúrias indesejadas , geralmente na forma de bandas laterais . Para transmissões de rádio, isso aumenta a largura de banda ocupada, levando à interferência do canal adjacente , o que pode reduzir a clareza do áudio ou aumentar o uso do espectro.

O IMD só é diferente da distorção harmônica porque o sinal de estímulo é diferente. O mesmo sistema não linear produzirá distorção harmônica total (com uma entrada de onda senoidal solitária) e IMD (com tons mais complexos). Na música, por exemplo, o IMD é intencionalmente aplicado a guitarras elétricas usando amplificadores com overdrive ou pedais de efeitos para produzir novos tons em harmônicos secundários dos tons que estão sendo tocados no instrumento. Veja Power chord # Analysis .

O IMD também é diferente da modulação intencional (como um misturador de frequência em receptores super-heteródinos ), onde os sinais a serem modulados são apresentados a um elemento não linear intencional ( multiplicado ). Veja misturadores não lineares , como diodos de misturador e até mesmo circuitos de misturador com oscilador de transistor único . No entanto, embora os produtos de intermodulação do sinal recebido com o sinal do oscilador local sejam pretendidos, os misturadores super-heteródinos podem, ao mesmo tempo, também produzir efeitos de intermodulação indesejados de sinais fortes próximos da frequência ao sinal desejado que caem dentro da banda passante do receptor .

Causas de intermodulação

Um sistema linear não pode produzir intermodulação. Se a entrada de um sistema linear invariante no tempo é um sinal de uma única freqüência, então a saída é um sinal da mesma freqüência; apenas a amplitude e a fase podem diferir do sinal de entrada.

Os sistemas não lineares geram harmônicos em resposta à entrada senoidal, o que significa que se a entrada de um sistema não linear é um sinal de uma única frequência, então a saída é um sinal que inclui um número de múltiplos inteiros do sinal de frequência de entrada; (ou seja, alguns de ).

A intermodulação ocorre quando a entrada de um sistema não linear é composta por duas ou mais frequências. Considere um sinal de entrada que contém três componentes de frequência no , e ; que pode ser expresso como

onde e são as amplitudes e fases dos três componentes, respectivamente.

Obtemos nosso sinal de saída, passando nossa entrada por uma função não linear :

irá conter as três frequências do sinal de entrada, , , e (que são conhecidos como os fundamentais frequências), bem como um número de combinações lineares dos frequências fundamentais, cada um na forma

onde , e são números inteiros arbitrários que podem assumir valores positivos ou negativos. Estes são os produtos de intermodulação (ou IMPs ).

Em geral, cada um desses componentes de frequência terá uma amplitude e fase diferente, que depende da função não linear específica que está sendo usada e também das amplitudes e fases dos componentes de entrada originais.

Mais geralmente, dado um sinal de entrada contendo um número arbitrário de componentes de frequência , o sinal de saída conterá uma série de componentes de frequência, cada um dos quais pode ser descrito por

onde os coeficientes são valores inteiros arbitrários.

Ordem de intermodulação

Distribuição das intermodulações de terceira ordem: em azul a posição dos portadores fundamentais, em vermelho a posição de IMPs dominantes, em verde a posição de IMPs específicos.

A ordem de um determinado produto de intermodulação é a soma dos valores absolutos dos coeficientes,

Por exemplo, em nosso exemplo original acima, produtos de intermodulação de terceira ordem (IMPs) ocorrem onde :

Em muitas aplicações de rádio e áudio, os IMPs de ordem ímpar são de maior interesse, pois ficam nas proximidades dos componentes de frequência originais e podem, portanto, interferir no comportamento desejado. Por exemplo, a distorção de intermodulação da terceira ordem ( IMD3 ) de um circuito pode ser vista olhando para um sinal que é composto de duas ondas senoidais , uma em e uma em . Quando você faz o cubo da soma dessas ondas senoidais, você obterá ondas senoidais em várias frequências, incluindo e . Se e são grandes, mas muito próximos, então e serão muito próximos de e .

Intermodulação passiva (PIM)

Conforme explicado na seção anterior , a intermodulação só pode ocorrer em sistemas não lineares. Os sistemas não lineares são geralmente compostos de componentes ativos , o que significa que os componentes devem ser polarizados com uma fonte de alimentação externa que não é o sinal de entrada (ou seja, os componentes ativos devem ser "ligados").

A intermodulação passiva (PIM), entretanto, ocorre em dispositivos passivos (que podem incluir cabos, antenas, etc.) que estão sujeitos a dois ou mais tons de alta potência. O produto PIM é o resultado da mistura de dois (ou mais) tons de alta potência em não linearidades do dispositivo, como junções de metais diferentes ou junções de óxido de metal, como conectores soltos e corroídos. Quanto mais altas as amplitudes do sinal, mais pronunciado o efeito das não linearidades e mais proeminente a intermodulação que ocorre - mesmo que na inspeção inicial o sistema pareça ser linear e incapaz de gerar intermodulação.

O requisito para "dois ou mais tons de alta potência" não precisa ser tons discretos. A intermodulação passiva também pode ocorrer entre diferentes frequências (isto é, diferentes "tons") dentro de uma única portadora de banda larga. Esses PIMs apareceriam como bandas laterais em um sinal de telecomunicação, o que interfere nos canais adjacentes e impede a recepção.

Os PIMs são uma grande preocupação nos sistemas de comunicação modernos nos casos em que uma única antena é usada tanto para sinais de transmissão de alta potência quanto para sinais de recepção de baixa potência (ou quando uma antena de transmissão está próxima a uma antena de recepção). Embora a potência do sinal PIM seja normalmente muitas ordens de magnitude menor do que a potência do sinal de transmissão, a potência do sinal PIM é muitas vezes da mesma ordem de magnitude (e possivelmente maior) do que a potência do sinal de recepção. Portanto, se um PIM encontra seu caminho para receber o caminho, ele não pode ser filtrado ou separado do sinal de recepção. O sinal de recepção seria, portanto, superado pelo sinal PIM.

Fontes de PIM

Os materiais ferromagnéticos são os materiais mais comuns a serem evitados e incluem ferritas, níquel (incluindo revestimento de níquel) e aços (incluindo alguns aços inoxidáveis). Esses materiais apresentam histerese quando expostos a campos magnéticos reversos, resultando na geração de PIM.

O PIM também pode ser gerado em componentes com defeitos de fabricação ou de fabricação, como juntas de solda frias ou rachadas ou contatos mecânicos mal feitos. Se esses defeitos forem expostos a altas correntes de RF, o PIM pode ser gerado. Como resultado, os fabricantes de equipamentos de RF realizam testes de fábrica de PIM nos componentes, para eliminar o PIM causado por esses defeitos de projeto e fabricação.

O PIM também pode ser inerente ao projeto de um componente de RF de alta potência, onde a corrente de RF é forçada a canais estreitos ou restritos.

No campo, o PIM pode ser causado por componentes que foram danificados durante o transporte para o local da célula, problemas de mão de obra de instalação e fontes externas de PIM. Alguns deles incluem:

  • Superfícies ou contatos contaminados devido a sujeira, poeira, umidade ou oxidação.
  • Junções mecânicas soltas devido a torque inadequado, alinhamento inadequado ou superfícies de contato mal preparadas.
  • Junções mecânicas soltas causadas durante o transporte, choque ou vibração.
  • Flocos ou aparas de metal dentro das conexões RF.
  • Contato inconsistente de metal com metal entre as superfícies do conector de RF causado por qualquer um dos seguintes:
    • Materiais dielétricos presos (adesivos, espuma, etc.), rachaduras ou distorções na extremidade do condutor externo de cabos coaxiais, muitas vezes causados ​​pelo aperto excessivo da porca traseira durante a instalação, condutores internos sólidos distorcidos no processo de preparação, condutores internos ocos excessivamente aumentados ou ovalado durante o processo de preparação.
  • O PIM também pode ocorrer em conectores ou quando condutores feitos de dois metais galvanicamente não correspondentes entram em contato um com o outro.
  • Objetos metálicos próximos no feixe direto e lóbulos laterais da antena de transmissão, incluindo parafusos enferrujados, rufos de teto, tubos de ventilação, cabos de sustentação, etc.

Teste PIM

IEC 62037 é o padrão internacional para teste de PIM e fornece detalhes específicos quanto às configurações de medição de PIM. O padrão especifica o uso de dois tons de +43 dBm (20W) para os sinais de teste para teste PIM. Este nível de potência tem sido usado por fabricantes de equipamentos de RF por mais de uma década para estabelecer especificações de APROVAÇÃO / FALHA para componentes de RF.

Intermodulação em circuitos eletrônicos

A distorção induzida por giro (SID) pode produzir distorção de intermodulação (IMD) quando o primeiro sinal está girando (voltagem variável) no limite do produto de largura de banda de potência do amplificador . Isso induz uma redução efetiva no ganho, modulando parcialmente a amplitude do segundo sinal. Se o SID ocorrer apenas para uma parte do sinal, é chamado de distorção de intermodulação "transitória".

Medição

A distorção de intermodulação em áudio é geralmente especificada como o valor médio quadrático (RMS) dos vários sinais de soma e diferença como uma porcentagem da tensão RMS do sinal original, embora possa ser especificada em termos de intensidades de componentes individuais, em decibéis , como é comum com o trabalho de RF . Os testes padrão de áudio IMD incluem o padrão SMPTE RP120-1994, onde dois sinais (a 60 Hz e 7 kHz, com taxas de amplitude 4: 1) são usados ​​para o teste; muitos outros padrões (como DIN, CCIF) usam outras frequências e relações de amplitude. A opinião varia sobre a proporção ideal de frequências de teste (por exemplo, 3: 4, ou quase - mas não exatamente - 3: 1 por exemplo).

Depois de alimentar o equipamento em teste com ondas senoidais de entrada de baixa distorção, a distorção de saída pode ser medida usando um filtro eletrônico para remover as frequências originais, ou a análise espectral pode ser feita usando Transformações de Fourier em software ou um analisador de espectro dedicado , ou ao determinar a intermodulação efeitos em equipamentos de comunicação, podem ser feitos usando o próprio receptor em teste.

Em aplicações de rádio , a intermodulação pode ser medida como relação de potência do canal adjacente . Difícil de testar são os sinais de intermodulação na faixa de GHz gerados a partir de dispositivos passivos (PIM: intermodulação passiva). Os fabricantes desses instrumentos PIM escalares são Summitek e Rosenberger. Os desenvolvimentos mais recentes são instrumentos PIM para medir também a distância à fonte PIM. A Anritsu oferece uma solução baseada em radar com baixa precisão e a Heuermann oferece uma solução de análise de rede vetorial de conversão de frequência com alta precisão.

Veja também

Referências

  1. ^ Rouphael, Tony J. (2014). Arquitetura e projeto de receptor sem fio: Antenas, RF, Sintetizadores, Sinal Misto e Processamento de Sinal Digital . Academic Press. p. 244. ISBN 9780123786418.
  2. ^ Francis Rumsey; Tim Mccormick (2012). Som e gravação: uma introdução (5ª ed.). Focal Press. p. 538. ISBN 978-1-136-12509-6.
  3. ^ Gary Davis; Ralph Jones (1989). The Sound Reinforcement Handbook (2ª ed.). Yamaha / Hal Leonard Corporation. p. 85 . ISBN 978-0-88188-900-0.
  4. ^ Passive Intermodulation Interference in Communication Systems, PL Lui, Electronics & Communication Engineering Journal, Year: 1990, Volume: 2, Issue: 3, Pages: 109-118.
  5. ^ "Passive Intermodulation Characteristics", M. Eron, Microwave Journal, março de 2014.
  6. ^ a b Referência de áudio AES Pro para IM
  7. ^ http://www.leonaudio.com.au/3-4.ratio.distortion.measurement.pdf Graeme John Cohen: Razão 3-4; Um método de medição de produtos de distorção

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