Intermodulation - Intermodulation

Un tracé de spectre de fréquence montrant l'intermodulation entre deux signaux injectés à 270 et 275 MHz (les grandes pointes). Les produits d'intermodulation visibles sont considérés comme de petits éperons à 280 MHz et 265 MHz.
Les produits d'intermodulation d'ordre 3 (D3 et D4) sont le résultat du comportement non linéaire d'un amplificateur. Le niveau de puissance d'entrée dans l'amplificateur est augmenté de 1 dB dans chaque trame successive. La puissance de sortie des deux porteuses (M1 et M2) augmente d'environ 1 dB dans chaque trame, tandis que les produits d'intermodulation du 3ème ordre (D3 et D4) augmentent de 3 dB dans chaque trame. Les produits d'intermodulation d'ordre supérieur (5e ordre, 7e ordre, 9e ordre) sont visibles à des niveaux de puissance d'entrée très élevés lorsque l'amplificateur est entraîné au-delà de la saturation. Près de la saturation, chaque dB supplémentaire de puissance d'entrée entraîne une puissance de sortie proportionnellement moindre dans les porteuses amplifiées et proportionnellement plus de puissance de sortie dans les produits d'intermodulation indésirables. À saturation et au-dessus, la puissance d'entrée supplémentaire entraîne une diminution en puissance de sortie, la majeure partie de cette puissance d'entrée supplémentaire étant dissipée sous forme de chaleur et augmentant le niveau des produits d'intermodulation non linéaire par rapport aux deux porteuses.

L'intermodulation ( IM ) ou la distorsion d'intermodulation ( IMD ) est la modulation d'amplitude de signaux contenant au moins deux fréquences différentes , causée par des non - linéarités ou une variation temporelle dans un système. L'intermodulation entre les composantes fréquentielles formera des composantes supplémentaires à des fréquences qui ne sont pas seulement aux fréquences harmoniques ( multiples entiers ) de l'une ou l'autre, comme la distorsion harmonique , mais aussi aux fréquences somme et différence des fréquences d'origine et aux sommes et différences des multiples de celles-ci. fréquences.

L'intermodulation est causée par un comportement non linéaire du traitement du signal (équipement physique ou même algorithmes) utilisé. Le résultat théorique de ces non-linéarités peut être calculé en générant une série de Volterra de la caractéristique, ou plus approximativement par une série de Taylor .

Pratiquement tous les équipements audio présentent une certaine non-linéarité, ils présenteront donc une certaine quantité d'IMD, qui peut cependant être suffisamment faible pour être imperceptible par les humains. En raison des caractéristiques du système auditif humain , le même pourcentage d'IMD est perçu comme plus gênant par rapport à la même quantité de distorsion harmonique.

L'intermodulation est également généralement indésirable en radio, car elle crée des émissions parasites indésirables , souvent sous la forme de bandes latérales . Pour les transmissions radio, cela augmente la bande passante occupée, entraînant des interférences de canaux adjacents , ce qui peut réduire la clarté audio ou augmenter l'utilisation du spectre.

L'IMD ne se distingue de la distorsion harmonique que par le fait que le signal de stimulus est différent. Le même système non linéaire produira à la fois une distorsion harmonique totale (avec une entrée d'onde sinusoïdale solitaire) et une IMD (avec des tonalités plus complexes). En musique, par exemple, l'IMD est intentionnellement appliqué aux guitares électriques à l'aide d' amplificateurs saturés ou de pédales d'effets pour produire de nouvelles tonalités aux sous- harmoniques des tonalités jouées sur l'instrument. Voir Power chord#Analyse .

L'IMD est également distinct de la modulation intentionnelle (comme un mélangeur de fréquence dans les récepteurs superhétérodynes ) où les signaux à moduler sont présentés à un élément non linéaire intentionnel ( multiplié ). Voir les mélangeurs non linéaires tels que les diodes mélangeuses et même les circuits oscillateur-mélangeur à transistor unique. Cependant, alors que les produits d'intermodulation du signal reçu avec le signal de l'oscillateur local sont prévus, les mélangeurs superhétérodynes peuvent, en même temps, également produire des effets d'intermodulation indésirables à partir de signaux forts proches en fréquence du signal souhaité qui tombent dans la bande passante du récepteur .

Causes d'intermodulation

Un système linéaire ne peut pas produire d'intermodulation. Si l'entrée d'un système linéaire invariant dans le temps est un signal d'une seule fréquence, alors la sortie est un signal de la même fréquence ; seules l' amplitude et la phase peuvent différer du signal d'entrée.

Les systèmes non linéaires génèrent des harmoniques en réponse à une entrée sinusoïdale, ce qui signifie que si l'entrée d'un système non linéaire est un signal d'une seule fréquence, alors la sortie est un signal qui comprend un certain nombre de multiples entiers du signal de fréquence d'entrée ; (c'est-à-dire certains de ).

L'intermodulation se produit lorsque l'entrée d'un système non linéaire est composée de deux fréquences ou plus. Considérons un signal d'entrée qui contient trois composantes de fréquence à , , et ; qui peut s'exprimer comme

où les et sont respectivement les amplitudes et les phases des trois composantes.

Nous obtenons notre signal de sortie, , en faisant passer notre entrée par une fonction non linéaire :

contiendra les trois fréquences du signal d'entrée, , , et (qui sont appelées fréquences fondamentales ), ainsi qu'un certain nombre de combinaisons linéaires des fréquences fondamentales, chacune sous la forme

où , , et sont des entiers arbitraires qui peuvent prendre des valeurs positives ou négatives. Ce sont les produits d'intermodulation (ou IMPs ).

En général, chacune de ces composantes de fréquence aura une amplitude et une phase différentes, qui dépendent de la fonction non linéaire spécifique utilisée, ainsi que des amplitudes et des phases des composantes d'entrée d'origine.

Plus généralement, étant donné un signal d'entrée contenant un nombre arbitraire de composantes de fréquence , le signal de sortie contiendra un certain nombre de composantes de fréquence, dont chacune peut être décrite par

où les coefficients sont des valeurs entières arbitraires.

Ordre d'intermodulation

Répartition des intermodulations du troisième ordre : en bleu la position des porteuses fondamentales, en rouge la position des IMP dominants, en vert la position des IMP spécifiques.

L' ordre d'un produit d'intermodulation donné est la somme des valeurs absolues des coefficients,

Par exemple, dans notre exemple original ci-dessus, les produits d'intermodulation du troisième ordre (IMP) se produisent où :

Dans de nombreuses applications radio et audio, les IMP d'ordre impair sont particulièrement intéressants, car ils se situent à proximité des composantes de fréquence d'origine et peuvent donc interférer avec le comportement souhaité. Par exemple, la distorsion d'intermodulation du troisième ordre ( IMD3 ) d'un circuit peut être observée en regardant un signal composé de deux ondes sinusoïdales , une à et une à . Lorsque vous cubez la somme de ces ondes sinusoïdales, vous obtenez des ondes sinusoïdales à différentes fréquences, y compris et . Si et sont grands mais très proches les uns des autres alors et seront très proches de et .

Intermodulation passive (PIM)

Comme expliqué dans une section précédente , l'intermodulation ne peut se produire que dans des systèmes non linéaires. Les systèmes non linéaires sont généralement composés de composants actifs , ce qui signifie que les composants doivent être polarisés avec une source d'alimentation externe qui n'est pas le signal d'entrée (c'est-à-dire que les composants actifs doivent être "sous tension").

L'intermodulation passive (PIM), cependant, se produit dans les dispositifs passifs (qui peuvent inclure des câbles, des antennes, etc.) qui sont soumis à deux ou plusieurs tonalités de haute puissance. Le produit PIM est le résultat du mélange de deux (ou plus) tonalités haute puissance au niveau des non-linéarités de l'appareil telles que des jonctions de métaux différents ou des jonctions métal-oxyde, telles que des connecteurs corrodés desserrés. Plus les amplitudes du signal sont élevées, plus l'effet des non-linéarités est prononcé et plus l'intermodulation qui se produit est importante - même si lors de l'inspection initiale, le système semble être linéaire et incapable de générer une intermodulation.

L'exigence de "deux ou plusieurs tonalités de puissance élevée" n'a pas besoin d'être des tonalités discrètes. L'intermodulation passive peut également se produire entre différentes fréquences (c'est-à-dire différentes "tonalités") au sein d'une même porteuse large bande. Ces PIM apparaîtraient comme des bandes latérales dans un signal de télécommunication, qui interfèrent avec les canaux adjacents et entravent la réception.

Les PIM sont une préoccupation majeure dans les systèmes de communication modernes dans les cas où une seule antenne est utilisée à la fois pour les signaux de transmission de haute puissance ainsi que pour les signaux de réception de faible puissance (ou lorsqu'une antenne de transmission est à proximité d'une antenne de réception). Bien que la puissance du signal PIM soit généralement inférieure de plusieurs ordres de grandeur à la puissance du signal d'émission, la puissance du signal PIM est souvent du même ordre de grandeur (et peut-être plus élevée) que la puissance du signal de réception. Par conséquent, si un PIM trouve son chemin vers le chemin de réception, il ne peut pas être filtré ou séparé du signal de réception. Le signal de réception serait donc écrasé par le signal PIM.

Sources de PIM

Les matériaux ferromagnétiques sont les matériaux les plus courants à éviter et comprennent les ferrites, le nickel (y compris le nickelage) et les aciers (y compris certains aciers inoxydables). Ces matériaux présentent une hystérésis lorsqu'ils sont exposés à des champs magnétiques inverses, ce qui entraîne la génération de PIM.

Le PIM peut également être généré dans des composants présentant des défauts de fabrication ou de fabrication, tels que des joints de soudure froids ou fissurés ou des contacts mécaniques mal faits. Si ces défauts sont exposés à des courants RF élevés, des PIM peuvent être générés. En conséquence, les fabricants d'équipements RF effectuent des tests PIM en usine sur les composants, afin d'éliminer les PIM causés par ces défauts de conception et de fabrication.

Le PIM peut également être inhérent à la conception d'un composant RF haute puissance où le courant RF est forcé à des canaux étroits ou restreint.

Sur le terrain, le PIM peut être causé par des composants qui ont été endommagés lors du transport vers le site de la cellule, des problèmes de fabrication lors de l'installation et par des sources PIM externes. Certains d'entre eux incluent :

  • Surfaces ou contacts contaminés en raison de la saleté, de la poussière, de l'humidité ou de l'oxydation.
  • Jonctions mécaniques desserrées en raison d'un couple inadéquat, d'un mauvais alignement ou de surfaces de contact mal préparées.
  • Jonctions mécaniques lâches causées pendant le transport, les chocs ou les vibrations.
  • Flocons ou copeaux métalliques à l'intérieur des connexions RF.
  • Contact métal sur métal incohérent entre les surfaces des connecteurs RF causé par l'un des éléments suivants :
    • Matériaux diélectriques piégés (adhésifs, mousse, etc.), fissures ou déformations à l'extrémité du conducteur extérieur des câbles coaxiaux, souvent causées par un serrage excessif du contre-écrou lors de l'installation, conducteurs intérieurs solides déformés lors du processus de préparation, conducteurs intérieurs creux excessivement agrandis ou rendu ovale pendant le processus de préparation.
  • Le PIM peut également se produire dans les connecteurs ou lorsque des conducteurs constitués de deux métaux non appariés sur le plan galvanique entrent en contact l'un avec l'autre.
  • Objets métalliques à proximité dans le faisceau direct et les lobes latéraux de l'antenne d'émission, y compris des boulons rouillés, des solins de toit, des tuyaux de ventilation, des haubans, etc.

Test PIM

CEI 62037 est la norme internationale pour les tests PIM et donne des détails spécifiques sur les configurations de mesure PIM. La norme spécifie l'utilisation de deux tonalités de +43 dBm (20 W) pour les signaux de test pour les tests PIM. Ce niveau de puissance est utilisé par les fabricants d'équipements RF depuis plus d'une décennie pour établir les spécifications PASS/FAIL pour les composants RF.

Intermodulation dans les circuits électroniques

La distorsion induite par l'orientation (SID) peut produire une distorsion d'intermodulation (IMD) lorsque le premier signal oscille (changement de tension) à la limite du produit de bande passante de puissance de l'amplificateur . Ceci induit une réduction efficace du gain, modulant partiellement en amplitude le deuxième signal. Si le SID ne se produit que pour une partie du signal, on parle de distorsion d'intermodulation "transitoire".

La mesure

La distorsion d'intermodulation dans l'audio est généralement spécifiée comme la valeur quadratique moyenne (RMS) des divers signaux de somme et de différence en pourcentage de la tension RMS du signal d'origine, bien qu'elle puisse être spécifiée en termes de puissance des composants individuels, en décibels , comme c'est souvent le cas avec le travail RF . Les tests audio standard IMD incluent la norme SMPTE RP120-1994 où deux signaux (à 60 Hz et 7 kHz, avec des rapports d'amplitude 4:1) sont utilisés pour le test ; de nombreuses autres normes (telles que DIN, CCIF) utilisent d'autres fréquences et rapports d'amplitude. L'opinion varie sur le rapport idéal des fréquences de test (par exemple 3:4, ou presque — mais pas exactement — 3:1 par exemple).

Après avoir alimenté l'équipement testé avec des ondes sinusoïdales d'entrée à faible distorsion, la distorsion de sortie peut être mesurée en utilisant un filtre électronique pour supprimer les fréquences d'origine, ou une analyse spectrale peut être effectuée à l'aide de transformations de Fourier dans un logiciel ou un analyseur de spectre dédié , ou lors de la détermination de l'intermodulation effets dans l'équipement de communication, peut être fait en utilisant le récepteur à l'essai lui-même.

Dans les applications radio , l'intermodulation peut être mesurée en tant que rapport de puissance de canal adjacent . Les signaux d'intermodulation dans la gamme GHz générés par des dispositifs passifs (PIM : passive intermodulation) sont difficiles à tester. Les fabricants de ces instruments PIM scalaires sont Summitek et Rosenberger. Les derniers développements sont les instruments PIM pour mesurer également la distance à la source PIM. Anritsu propose une solution radar avec une faible précision et Heuermann propose une solution d'analyseur de réseau vectoriel à conversion de fréquence avec une grande précision.

Voir également

Les références

  1. ^ Rouphaël, Tony J. (2014). Architectures et conception de récepteurs sans fil : antennes, RF, synthétiseurs, traitement de signaux mixtes et de signaux numériques . Presse académique. p. 244. ISBN 9780123786418.
  2. ^ Francis Rumsey; Tim McCormick (2012). Son et enregistrement : une introduction (5e éd.). Presse focale. p. 538. ISBN 978-1-136-12509-6.
  3. ^ Gary Davis; Ralph Jones (1989). Le manuel de renforcement du son (2e éd.). Yamaha / Hal Leonard Corporation. p. 85 . ISBN 978-0-88188-900-0.
  4. ^ Interférence d'intermodulation passive dans les systèmes de communication, PL Lui, Electronics & Communication Engineering Journal, Année : 1990, Volume : 2, Numéro : 3, Pages : 109 - 118.
  5. ^ "Caractéristiques d'intermodulation passive", M. Eron, Microwave Journal, mars 2014.
  6. ^ a b AES Pro Audio Reference pour IM
  7. ^ http://www.leonaudio.com.au/3-4.ratio.distortion.measurement.pdf Graeme John Cohen : rapport 3-4 ; Une méthode de mesure des produits de distorsion

Domaine public Cet article incorpore  du matériel du domaine public du document de la General Services Administration : "Federal Standard 1037C" .(à l'appui de MIL-STD-188 )

Liens externes