三階互調的計算及IP3測試原理和方法詳細講解教程

三階互調的計算及IP3測試原理和方法詳細講解教程

工程師2 發表於 2018-04-26 09:09:00

三階交截點（IP3）是衡量通信系統線性度的一個重要指標，他反映了系統受到強信號幹擾時互調失真的大小。當系統的IP3較高時，要精確測試IP3 會比較困難，因為測試環境中各種因素（如測試配件的隔離度、線性度和匹配性等）都容易影響高IP3的測試。下面將簡略介紹IP3的測試原理，詳細分析高 IP3的測試方法。

1　IP3測試原理

在無線通信設 備中，器件（如放大器、混頻器、調製/解調器等）的非線性通常會使同時侵入2個或多個強幹擾信號發生相互調製，並產生新的頻率成分，這種現象稱為互調。互 調幹擾不僅能降低有用信號的功率，引起信號失真，降低系統選擇性，還能破壞鄰近信道的性能。因此，互調性能是系統常檢指標，通常用IP3來表示。

IP3是工作頻率信號在理想線性系統中的輸出信號與三階互調分量幅值相等時的交點，是一個固定點。如圖1所示［1］。該點是虛交點，實際系統中無法直接測出，但可以通過相關的測量值計算出來。下面將簡單介紹IP3計算式的原理。

雖 然侵入系統的強信號可能有2個或2個以上，但為了測試的方便，假設只有2個強的等幅單音信號侵入了系統。若用一個冪級數來表示器件的非線性作用，並假設單 音信號的頻率分別為f1和f2，那麼不難推出三階互調分量的頻率為（2f1－f2）或（2f2－f1）。IP3（IIP3，OIP3）的計算式為［2］：

其中：IIP3為輸入IP3，是IP3的橫坐標；

OIP3為輸出IP3，是IP3的縱坐標；

Pin為單音信號的輸入功率電平；

Pout為單音信號的輸出功率電平；

G為被測件（Device Under Test - DUT）的小信號增益。

IMD3為三階互調失真，他等於幹擾信號的輸出功率電平減去三階互調量功率電平的值，即：

式（2）中各元素的關係如圖2所示。由式（1）和（2）可知，如果測出單音信號的輸入/輸出功率和三階互調分量的電平值，就可求出輸入/輸出IIP3的值。

2　高IP3的測試方法

IP3的一般測試方法是按照圖3搭建測試環境，向DUT輸入2個強的單音信號，測出DUT輸出端單音信號的電平和三階互調產物的電平，再利用式（1）和式（2）計算出IP3的大小。

當 DUT的線性度較好時，其IP3較高。測試這種IP3有2個特點：一是輸入的單音信號很強；二是產生的三階互調分量很弱。由於強信號輸入容易使測試系統其 他器件也進入非線性狀態，產生同頻的互調分量或其他雜波；弱互調分量容易被大信號掩蓋，所以高IP3的測試工作不能簡單按照一般測試方法進行，需做一些改進：

（1）選用高質量的信號源

信號源本身具有非線性，有一定的動態範圍。當信號源輸出大功率信號時，一些器件進入非線性狀態，使得輸出信號質量大大降低，如含有各種雜波或多次諧波。因此需選用高質量的信號源，如合成信號源，他的線性度較高，噪聲比較低。

（2） 隔離2個信號源，減小他們的相互作用　　如果不隔離2個信號源，他們的自適應邏輯電路會相互作用產生互調分量［3］，影響DUT弱互調分量的測試。因此最 好在每個信號源與功率合成器之間加一個隔離器。鐵氧體磁性材料隔離器是較理想的選擇，因為他的隔離度高，差損小。也可以選用10～20 dB的固定衰減器來隔離，但他們的隔離度不高，為了補償衰減器的衰減量需要加大信號源的輸出功率，因此採用固定衰減器不是理想選擇。

（3）選用線性好的功率合成器

功率合成器也有一定的非線性，遭遇強信號時也會產生同頻互調分量，如果他的互調分量較大，就會掩蓋DUT產生的弱互調分量。因此，需採用易匹配且線性度高的功率合成器，如阻性功率合成器。他基本上完全線性，自己不會產生互調分量，並且各個埠具有良好的匹配性。

（4）增強測試系統的匹配性

系統的匹配性非常重要，為確保系統的良好匹配，可在功率合成器與DUT之間和頻譜儀與DUT之間分別加一個6～10 dB的固定衰減器［3］。系統統一採用50Ω匹配。

（5）選用動態範圍大的頻譜分析儀

頻 譜儀的動態範圍是指在能以給定不確定度測量較小信號的頻譜分析儀輸入端同時存在的最大信號與最小信號之比。當測試高IP3時，輸入頻譜儀的單音信號幅度很 大而三階互調分量幅度又很小，如果頻譜儀的動態範圍不夠將無法同時測出這2種信號的大小，因此需選用大動態範圍的頻譜分析儀。

（6）需判別測試結果的有效性

頻 譜分析儀的前端結構如圖4所示。頻譜分析儀的IP3通常不高，如安捷倫PSA系列頻譜儀（E444xA）在混頻器輸入電平為－30 dBm時，其IIP3小於＋20 dBm。所以測試高IP3時不能忽略頻譜儀的非線性，輸入DUT的強單音信號也會在頻譜儀中相互調製產生同頻的互調分量。當該互調分量較大時就需判斷頻譜 儀上顯示的互調分量主要是DUT產生的還是頻譜儀自身產生的，即判斷測試結果是否有效。下面總結了3種判斷方法：

①改變頻譜儀射頻輸入衰減器的衰減量（如加大或減小10 dB），觀察互調分量的電平值是否相應減少或增加。如果該電平值改變了，則說明頻譜儀產生的互調分量電平值不能忽略，測試結果無效。這是最簡單的判斷方法。

②在其他條件不變的情況下，比較加上DUT和不加DUT測得的互調分量電平值。如果後者的電平值比前者的小得多則說明所測結果是DUT產生的互調分量；否則，測試結果無效。

③ 一般的頻譜儀手則上都會給出在混頻器輸入信號電平為某個值（如－30 dBm）時各個頻段三階互調失真的大小或直接給出各個頻段IIP3的值。因此，可利用式（1）和式（2）計算頻譜分析儀產生的三階互調分量大小。比較計算 結果與測試結果，如果計算值比測試結果小得多，則測試結果為有效值。

當測試結果無效時，解決辦法之一是減小2個單音信號的輸入電平或加大頻譜儀輸入衰減器的衰減量。另一種是用測試結果（dBm轉化為mW）減去利用判斷方法③得出的頻譜儀互調分量大小（mW），從而得到DUT互調分量的大小（mW）。

在測試過程中還需注意：

（1）IP3的計算式（1）是在假設輸入DUT的2個幹擾信號電平相等的前提下得到的。如果2個幹擾信號電平不等，計算公式需調整［1］：

（2）一般情況下，當2個單音信號的幅度均減少1 dB時，三階互調分量的電平值會減少3 dB，IMD3將相應增加2dB。可見，減少單音信號的輸入幅度可大大減少三階互調分量的幅度。

因此，要減少測試環境中其他配件的非線性對測試結果的影響，最行之有效的方法是儘可能地減小單音信號的電平值。

（3）測試環境中的連接電纜應儘量不要彎曲（特別是在接頭處），以防止增加信號反射，產生過多的互調產物，影響測試準確性。為保持測試系統互調特性的穩定，測試環境不要輕易挪動，每個埠的接頭都要擰緊。

3實驗

根 據該測試方法，對CDMA2000基站接收通道射頻輸入部分（從低噪聲放大器輸出端到第一混頻器輸出端）的IP3進行了測試。其測試原理圖如圖5所示。其 中，E4432B和E4440A均為Agilent公司的測試儀器。信號源輸出的單音信號頻率是根據3GPP2協議要求來確定的：分別偏離中心頻率 （454 MHz）＋900 kHz和＋1700 kHz。

在混頻器輸出端的信號頻率分別為70．9 MHz和71．7 MHz，即分別偏離中頻頻率（70 MHz）＋900 kHz和＋1 700 kHz，用E4440A測得DUT信號經衰減器後的電平值均為－17．8 dBm。表1是測試結果。

如果採用一般的測試方法，得到的IIP3值為28．7 dBm。由此可見，採用上面介紹的高IP3測試方法，大大提高了高IP3的測試準確度。

4　結語

隨著無線通信的快速發展，通信產品需達到的指標要求越來越高，精確測量產品性能愈為重要。線性度是影響系統性能提高的重要因素，做好IP3的準確測試工作是 研究並提高系統線性度的一個重要前提。本高IP3測試方法已在3G基站射頻部分的IP3測試中得到較好應用，希望能對其他產品的IP3測試工作有所幫助。

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