无线通信UHF频段的无源互调干扰研究

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无源互调(Passive InterModulation,PIM)是指因无源射频器件的非线性引起的失真。非线性主要包括材料非线性和接触非线性两类。当输入功率很小时,这两类无源非线性均可忽略,因此,习惯上无线通信系统中大量使用的天线及其他无源器件都被视作线性器件。随着无线通信频谱使用的日益密集、大功率发射机的逐渐应用、接收机灵敏度的不断提高以及共站共址现象的更加普及,由无源器件的微弱非线性所引起的互调产物已经无法再被忽视,甚至成为无线通信系统的主要寄生干扰之一。严重的无源互调失真不仅降低接收机灵敏度,而且会恶化整个系统的性能。由于收发频段同时工作且一般离得很近,频分双工(FDD)系统更容易受到无源互调影响。因此,近年来无源互调受到国际电工委员会(IEC)、中国通信标准化委员会(CCSA)等标准化组织以及无线通信业界的高度重视;然而,互调的研究主要集中于有源领域,无源互调在分析模型、量化评估等方面则仍存在不少基础性问题,如多载波、多点源等场景下的互调电平叠加效应以及宽带信号的互调特性等都尚无明确结论。本文主要研究无源互调干扰的行为模型、叠加效应、宽带特性和规避方案。首先分析并验证了无源互调的行为特性,其次给出了多个大功率载波及多个离散互调点源级联两种场景下的互调叠加评估模型,接着推导出限定带宽内宽带信号与连续波互调产物的功率强度关系,最后计算了典型无线通信系统系统内及系统间共存时无源互调的组合规律。这些结果对无线网络规划优化、干扰分析、时频资源分配以及信号检测等领域的工作具备较强参考意义。本文首先描述了描述无源互调行为特征的分析模型,并基于幂级数方法论证了无源互调产物的信号强度与载波输入功率、互调产物阶数的关系,同时还给出了互调产物与时间、驻波比和温度等因素的实测数据,并分析了相应模型及数据的适用场景。其次,本文采用数值计算和蒙特卡洛仿真方法,分析了多载波系统中的群互调现象。提出了基于“有效击中”概念的群互调因子的定义,给出了群互调效应的评估机制,并结合载波功放的两种不同工作模式,基于蒙特卡洛仿真方法,开展了多载波群互调因子随载波数变化关系的定量仿真,结果表明:群互调因子并不像互调产物数目那样指数增长,尤其是在多载波共享发射功率的功放工作模式下。再次,本文研究了有耗传播路径中多点源级联情况下的无源互调叠加效应。提出了一种有损级联点源模型,构造出可评估多级串联累积互调效应的指标,即级联因子(SCF),基于上述模型定量比较了反射互调和传输互调强度,给出了多级串联时传输互调的极大值以及反射互调的极限形式,并分析了实测值与预测值的偏差。接着,本文提出一种宽带信号的窄带子载波等效模型,并首次推导出任意阶宽带信号与连续波信号互调产物在限定带宽内的相对功率强度解析式,该公式既指出了宽带信号与连续波互调产物功率强度的差异,又可将连续波测试结论引申至更多应用场景;同时,基于Matlab的LTE信号仿真模型以及实际测试验证了上述推论的正确性。最后,本文基于干扰分析和链路预算论证了无源互调抑制能力标准门限,还总结出一种基于网络侧数据的疑似互调问题器件定位方法,并重点计算了典型无线系统单系统及多系统共存时激发的无源互调情况,可供无线通信频率规划与优化工作参考。本文的主要贡献如下:第一,针对两种典型功放模式,提出了多频点无源互调叠加效应评估方法,并基于蒙特卡洛方法仿真了多载波配置情况下的群互调因子,可评估互调干扰与小区内载波数目的关系。第二,针对有耗电缆组件,提出了离散无源互调点源的叠加效应评估模型。建立了一种基于传输函数的修订点源模型,可计算多级级联时的累积反向互调干扰强度;基于该模型推导了级联情况下的极限干扰强度,分析表明干扰强度受级联级数、相连电缆的相位等多种因素影响,并不必然随着级数增加而增加。第三,针对当前互调研究及测试仅针对连续波信号的现状,推导出限定带宽内宽带信号相对连续波信号互调产物的功率增益。该结论可为宽带信号干扰分析及仿真时提供量化数据,也可以为LTE等宽带信号频域规划时不同载波的性能预测甚至资源调度提供更多依据。第四,遍历计算了典型无线系统共存时的互调干扰激发情况,并论证了多系统合路POI系统的互调特征,这些结论可为无线通信网络规划及优化提供重要参考。
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