Интермодуляция

9.5.1. Порядок интермодуляции.
Наиболее опасные порядки интермодуляции

Интермодуляция – самый общий случай нелинейного преобразования электромагнитных колебаний. Интермодуляция состоит в появлении новых частот на выходе нелинейного элемента или в среде с нелинейной проводимостью при действии на них двух или более частот. Эффект интермодуляции может иметь место, как в радиопередатчиках, так и в радиоприемных устройствах. Частота интермодуляционного колебания (частота интермодуляции) представляет собой линейную комбинацию частот, поступающих на нелинейный элемент, где коэффициентами комбинации являются целые числа. Если, например, на нелинейный элемент поступает k колебаний с частотами f₁, …, f_k, то в результате их взаимодействия на этом элементе образуются частоты вида

f_им = | n₁f₁ + n₂f₂ +…+ n_kf_k |,

где f_им – частота интермодуляции; n₁,…, n_k – целые числа, положительные и отрицательные.

Число N = | n₁ | + | n₂ | +…+ | n_k | называется порядком интермодуляции.

В зависимости от числа сигналов (или частот), образующих интермодуляционный продукт (интермодуляционную частоту), говорят о двухсигнальной (двухчастотной) интермодуляции, трехсигнальной (трехчастотной) интермодуляции или, в общем случае, о многочастотной интермодуляции. Теоретически с ростом числа взаимодействующих сигналов и порядка интермодуляции число интермодуляционных сигналов растет очень быстро. Так, например, число интермодуляционных продуктов третьего порядка, возникающих на нелинейном элементе, на который поступает n сигналов, составляет (n³-n²). Однако не все виды и не все порядки интермодуляционных продуктов (ИМП) имеют одинаковую значимость с точки зрения их влияния на рабочие характеристики радиоэлектронных средств (РЭС). Уровень ИМП зависит от вида нелинейности и амплитуды взаимодействующих сигналов, а также от характеристик частотной избирательности фильтров на входе и выходе нелинейного прибора. Хотя с повышением порядка интермодуляции амплитуда интермодуляционных продуктов падает, на практике наиболее мощными чаще оказываются продукты третьего, а не второго порядка. Более того, уровни интермодуляционных продуктов нечетных порядков обычно превышают уровни интермодуляционных продуктов четного порядка. Среди двухсигнальных ИМП наибольшей мощностью обладают колебания с частотами f_им = | nf_i - (n-1)f_j |, где n ³ 2 – целые положительные числа. Причина – частотная избирательность радиоэлектронных средств. Частотно-избиратель-ные цепи радиоприемников и радиопередатчиков влияют как на уровни сигналов, поступающих на нелинейные приборы, входящие в их состав, так и на уровни интермодуляционных продуктов, образующихся на их выходах. Однако ИМП указанного выше вида испытывают в этих цепях значительно меньшее ослабление, чем ИМП другого вида или продукты четного порядка. Это иллюстрирует рис. 9.13, где представлена амплитудно-частотная характеристика фильтра H(f) на выходе нелинейного прибора, на вход которого поступают мешающие сигналы I_i и I_j с частотами f_i и f_j, соответственно. Расстройка мешающего сигнала I_i, ближайшего к частоте настройки фильтра f₀, относительно частоты f₀ и расстройка между частотами f_i и f_j ближайшего и более удаленного от f₀ мешающих сигналов предполагаются одинаковыми. На рис. 9.13 они обозначены Df.

В общем случае в описываемой ситуации слева и справа от сигналов I_i и I_j с шагом Df по частотной оси появятся интермодуляционные продукты нечетных порядков N = 2n - 1 (n ³ 2) с частотами f_им = nf_i - (n - 1)f_j или
f_им = nf_j - (n - 1)f_i. Эти продукты могут попадать в полосу пропускания фильтра, как, например, частота 2f_i - f_j = f₀ в ситуации, представленной на рис. 9.13, или находиться в области расстроек относительно центральной частоты фильтра, где ослабление фильтра может быть еще не очень большим. В тоже время продукты интермодуляции четного, например, второго (f_им = | f_j ± f_i |) порядка, испытывают сильное ослабление при прохождении через фильтр, поскольку имеют значительную отстройку от центральной частоты фильтра и лежат далеко за пределами его полосы пропускания. Следует также учесть, что при относительно узкополосных фильтрах на входах нелинейных приборов и благоприятном для образования ИМП второго порядка расположении мешающих сигналов на оси частот, оба или, по крайней мере, один из входных сигналов оказываются существенно подавлены этими фильтрами. В результате интермодуляционный сигнал 2-го порядка имеет небольшой уровень из-за малой амплитуды сигналов, поступающих на нелинейный прибор. Поэтому ИМП четных порядков обычно не представляют значительной опасности и при анализе ЭМС РЭС их часто не рассматривают. Однако РПУ, имеющие широкополосный преселектор или преобразователь с переносом на нулевую частоту, могут испытывать интермодуляционные помехи второго порядка. ИМП второго порядка могут иметь место и в широкополосных радиопередатчиках. На практике встречались случаи, когда интермодуляционные продукты 40-го порядка превышали уровень шумов приемной системы. Ограниченное число измерений показало, что такие высокие порядки интермодуляции, как 11-й, могут быть только на 20 дБ ниже третьего, т. е. уменьшение уровней ИМП с ростом порядка происходит не так уж быстро [9]. Однако ИМП третьего и пятого порядков всегда значительны, поэтому при анализе ЭМС их необходимо учитывать в первую очередь.

9.5.2. Интермодуляция в радиоприемных устройствах. Параметры,
связанные с эффектом интермодуляции

Интермодуляция в радиоприемном устройстве – возникновение отклика на выходе радиоприемного устройства при действии на входе приемника двух или большего числа радиопомех, частоты которых не совпадают с частотами основного и побочных каналов приема. Теоретически интермодуляция может иметь место в любом каскаде РПУ. На практике интермодуляция обычно происходит в усилителе высокой частоты (УВЧ) или в первом смесителе РПУ. Эффект интермодуляции в РПУ может быть охарактеризован коэффициентом интермодуляции, а приемник описан уровнем восприимчивости к интермодуляции, характеристикой частотной избирательности по интермодуляции и динамическим диапазоном по интермодуляции.

Коэффициент интермодуляции – отношение отклика, возникающего в результате интермодуляции в радиоприемном устройстве, к заданному отклику на полезный радиосигнал [2], т. е.

k_инт = U_{инт вых}/U_{с вых} ,

где k_инт – коэффициент интермодуляции; U_{инт вых} – уровень сигнала, возникшего в результате интермодуляции в приемнике, на выходе РПУ; U_{с вых} – уровень полезного сигнала на выходе РПУ.

Уровень восприимчивости к интермодуляции – минимальный уровень двух одинаковых по значению радиопомех на входе радиоприемного устройства, при котором коэффициент интермодуляции равен заданному значению [2]. Измерение уровня восприимчивости для средств гражданского применения обычно производится для уровня полезного сигнала на входе приемника равного его чувствительности и для коэффициента интермодуляции k_инт=1. Уровень восприимчивости зависит от расстановки частот мешающих сигналов и порядка интермодуляции. Эта зависимость определяет характеристику частотной избирательности по интермодуляции.

Характеристика частотной избирательности по интермодуляции – это зависимость уровня восприимчивости к интермодуляции от частоты одного испытательного сигнала при частоте второго испытательного сигнала, при которой возникает интермодуляция в радиоприемном устройстве [2]. Характеристику снимают двухсигнальным методом по схеме, приведенной на рис. 9.5. При измерении характеристики частотной избирательности по интермодуляции один из сигналов (обычно наиболее удаленный от частоты настройки РПУ) должен быть модулирован по частоте или амплитуде в зависимости от того на прием какой модуляции настроен приемник. Характеристика частотной избирательности по интермодуляции имеет вид, представленный на рис. 9.14, где использованы следующие обозначения: I – уровень восприимчивости приемника к интермодуляции; Df – расстройка ближайшего мешающего сигнала относительно частоты настройки РПУ; B_R – полоса пропускания приемника.

По форме эта характеристика похожа на характеристику частотной избирательности по блокированию. Характеристика является параметрической. Параметром служит коэффициент интермодуляции k_инт. По оси частот (ось абсцисс) обычно откладывают расстройку испытательного сигнала ближайшего к частоте настройки приемника. Задаваясь порядком и видом интермодуляции, для которой снимается характеристика частотной избирательности, и отстройкой частоты одного из генераторов от частоты настройки РПУ, легко рассчитать частоту второго генератора. Так, например, если снимают характеристику частотной избирательности по интермодуляции 3-го порядка вида f_им = 2f₁ - f₂, то, принимая во внимание, что частота интермодуляции при измерениях должна совпадать с частотой настройки приемника f₀, т. е. f_им = f₀, можно найти, что должно выполняться равенство f₀ - f₁ = f₁ - f₂, или Df₀₁ = Df₁₂, т. е. отстройка по частоте испытательного сигнала, ближайшего к частоте настройки приемника, и разнос частот между испытательными сигналами должны совпадать.

Интермодуляция в РПУ по своей природе является трехсигнальной (два мешающих сигнала и полезный). Поэтому в ряде случаев избирательность радиостанций подвижных служб по интермодуляции измеряют трехсигнальным методом [10]. В этом случае в схему, изображенную на рис. 9.5, вводят еще один генератор, имитирующий полезный сигнал, который, как и мешающие сигналы, поступает на сумматор å. При снятии характеристики трехсигнальным методом фиксируют (и откладывают на оси ординат графика характеристики избирательности по интермодуляции) уровень мешающих сигналов на входе приемника, который на выходе РПУ снижает отношение сигнал/шум на заданную величину, обычно на 3…6 дБ. Параметром такой характеристики является величина снижения отношения сигнал/ шум.

Динамический диапазон по интермодуляции определяется как отношение уровня восприимчивости к интермодуляции к чувствительности радиоприемного устройства [2].

Из определения динамического диапазона по интермодуляции следует, что, располагая частотной характеристикой избирательности по интермодуляции, снятой двухсигнальным методом, легко установить, как изменяется динамический диапазон по интермодуляции радиоприемного устройства в зависимости от расстановки мешающих частот для того вида и порядка интермодуляции, для которого снята характеристика частотной избирательности по интермодуляции. Для этого достаточно на оси ординат графика, представляющего характеристику частотной избирательности РПУ по интермодуляции (например, рис. 9.14), заменить уровень восприимчивости приемника к интермодуляции на отношение уровня восприимчивости к чувствительности приемника.

Еще одним параметром, характеризующим нелинейные свойства радиоэлектронной аппаратуры и широко используемым в международных документах и, особенно в спецификациях зарубежной аппаратуры на радиоприемные устройства, анализаторы спектра, усилители, смесители, является точка пересечения. Точка пересечения связана с порядком интермодуляции. В связи с этим различают точки пересечения 2-го, 3-го и т. д. порядков. Точка пересечения позволяет оценить не только динамический диапазон по интермодуляции, но и уровень интермодуляционных продуктов, возникающих на нелинейностях приборов. Однако, прежде, чем рассмотреть этот параметр, скажем несколько слов о явлении интермодуляции в радиопередатчиках.