無(wú)源互調(diào)(PIM)是一種發(fā)生在無(wú)源器件上的互調(diào)失真,比如濾波器,合路器,浪涌保護(hù)器,線纜,連接頭,天線等。這些器件通常被認(rèn)為是線性的,但是他們受到高功率信號(hào)激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生雜散信號(hào)。基站的無(wú)源互調(diào)問(wèn)題已經(jīng)成為干擾網(wǎng)絡(luò)性能的最前沿問(wèn)題,近年來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注,怎樣定位與排查基站的無(wú)源互調(diào)故障也是令基站維護(hù)者困擾倍增。本文從無(wú)源互調(diào)的基本概念入手,解釋為什么無(wú)源互調(diào)干擾越來(lái)越受到重視,然后具體闡述基站現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)源互調(diào)測(cè)試與定位解決方案,最后分享用安立公司PIM Master在基站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中的一些典型案例與結(jié)果分析。
一、什么是無(wú)源互調(diào)(Passive Intermodulation, PIM)?
無(wú)源互調(diào)(PIM)是一種發(fā)生在無(wú)源器件上的互調(diào)失真,比如濾波器,合路器,浪涌保護(hù)器,線纜,連接頭,天線等。這些器件通常被認(rèn)為是線性的,但是他們受到高功率信號(hào)激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生雜散信號(hào)。
無(wú)源互調(diào)(PIM)顯示一系列由兩個(gè)或多個(gè)強(qiáng)射頻信號(hào)在非線性器件(比如松散或腐蝕的連接頭,或附近生銹物)中混頻產(chǎn)生的不需要的信號(hào), 無(wú)源互調(diào)(PIM)現(xiàn)象又稱為“環(huán)境二極管效應(yīng)”或“銹門栓效應(yīng)”。
下面這組方程可以精確描述兩個(gè)載波F1,F(xiàn)2的無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物頻率:
IMn+m = nF1 – mF2
IMn+m = nF2 – mF1
F1 和 F2 是發(fā)射載波頻率,常數(shù) n 和 m是正整數(shù)。當(dāng)提到無(wú)源互調(diào)產(chǎn)物時(shí), n + m 的和稱為互調(diào)階數(shù)。如果m等于2,n等于1,則他們的和 (2+1=3) 稱為3階交調(diào) 即 IM3。
典型的, 3階互調(diào)產(chǎn)物是最強(qiáng)的可能落在接收頻段內(nèi)對(duì)接收信號(hào)造成危害的互調(diào)產(chǎn)物,因?yàn)闊o(wú)源互調(diào)產(chǎn)物的幅度隨著階數(shù)的增高而變低,高階的互調(diào)產(chǎn)物一般情況下不會(huì)強(qiáng)道直接導(dǎo)致頻率問(wèn)題,但是他們通常會(huì)是導(dǎo)致近鄰的頻段噪底電平上升的原因。
一旦這些上升的噪底電平落入接收頻段,他們便進(jìn)入到基站接收信號(hào)范圍內(nèi)(有時(shí)候通過(guò)低噪放),會(huì)對(duì)基站信號(hào)接收造成影響。
要認(rèn)識(shí)到,從調(diào)制信號(hào)引起的互調(diào)信號(hào)比從基波信號(hào)引起的互調(diào)信號(hào)的帶寬要寬。因此,互調(diào)產(chǎn)物可以有非常寬的頻帶,占用好幾個(gè)通頻帶。
二、為什么無(wú)源互調(diào)問(wèn)題越來(lái)越受關(guān)注?
移動(dòng)通信高速數(shù)據(jù)通信的發(fā)展增加了蜂窩系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量,也在一定程度上影響了網(wǎng)絡(luò)性能。隨著額外新增的的移動(dòng)通信發(fā)射機(jī)和調(diào)制信號(hào)添加到既有的或新的基站,統(tǒng)計(jì)到的基站性能可能大幅變化,這可能會(huì)導(dǎo)致基站性能變差、扇區(qū)性能惡化或者覆蓋率降低等等。
無(wú)源互調(diào)問(wèn)題近來(lái)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)性能的最前沿問(wèn)題,基于以下一系列原因或幾個(gè)原因的組合::
• 越來(lái)越高的射頻功率
• 相同的天線陣上多個(gè)頻段的系統(tǒng)
• 滿負(fù)荷的多載波系統(tǒng)
• 高負(fù)荷的高密度/業(yè)務(wù)量基站
• 寬帶接收濾波器
• 復(fù)用天線陣
• 越來(lái)越寬的信號(hào)帶寬5MHz, 10MHz, 20 MHz等
• 體系架構(gòu)老化–主要是腐蝕的或松的連接頭
• 由周圍環(huán)境導(dǎo)致的環(huán)境二極管效應(yīng)
• 由干濕天氣條件造成的間歇、時(shí)斷時(shí)續(xù)的環(huán)境二極管效應(yīng)
• 鄰基站產(chǎn)生無(wú)源交通
天線的腐蝕銹濁可能導(dǎo)致無(wú)源互調(diào)現(xiàn)象 天饋線系統(tǒng)的各個(gè)組件可能成為導(dǎo)致互調(diào)的主要潛在源
一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)源互調(diào)測(cè)量應(yīng)當(dāng)是一個(gè)線性度測(cè)量和建筑質(zhì)量測(cè)量的綜合。這就是為什么必須要在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量無(wú)源互調(diào)的原因。
三、無(wú)源互調(diào)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與定位方案:
為了測(cè)試基站的接收機(jī)干擾是否受到兩個(gè)或者多個(gè)發(fā)射頻率的無(wú)源互調(diào)干擾,安立公司開發(fā)專用于測(cè)量無(wú)源互調(diào)的無(wú)源互調(diào)分析儀PIM MasterTM。安立公司針對(duì)移動(dòng)通信CDMA頻段,E-GSM頻段,PCS和AWS頻段推出了其第一代高性能無(wú)源互調(diào)測(cè)試系列解決方案PIM MasterTM ,包括MW8208A,MW8209A和MW8219A,分別覆蓋中國(guó)移動(dòng),中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)頻段的無(wú)源互調(diào)測(cè)試。
安立公司具有40瓦發(fā)射功率和已獲得專利的無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位(Distance-to-PIMTM)技術(shù)的PIM MasterTM是專為現(xiàn)場(chǎng)查找無(wú)源互調(diào)問(wèn)題、快速定位無(wú)源互調(diào)問(wèn)題的而設(shè)計(jì)的方案。
安立公司開發(fā)并發(fā)明的精確定位無(wú)源互調(diào)故障源的技術(shù),稱為無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位(Distance-to-PIMTM,即DTP),已獲得美國(guó)專利,為安立無(wú)源互調(diào)分析儀PIM MasterTM的特色功能。工程維護(hù)人員不用再浪費(fèi)時(shí)間敲擊鐵塔試圖定位無(wú)源互調(diào)故障源,如果無(wú)源互調(diào)來(lái)自于天線系統(tǒng)或者周圍環(huán)境也不用再猶豫不決,在幾秒鐘內(nèi),無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位(Distance-to-PIMTM)技術(shù)可以測(cè)量天線系統(tǒng)內(nèi)和天線系統(tǒng)外的所以的靜態(tài)無(wú)源互調(diào)故障問(wèn)題的相對(duì)幅度大小和故障。只有無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位(Distance-to-PIMTM)技術(shù)才能發(fā)現(xiàn)的無(wú)源互調(diào)故障包括: 污染了的連接頭,腐蝕的連接頭,扭矩過(guò)大的連接頭,存在微觀電弧的連接頭,天線系統(tǒng)外的無(wú)源互調(diào)問(wèn)題。無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位測(cè)試相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)源互調(diào)測(cè)試來(lái)說(shuō)提供了更多的洞察力,這些獲得的定位信息可以加速問(wèn)題源的修復(fù),控制問(wèn)題源的修復(fù)成本,幫助制定精確的預(yù)算計(jì)劃等等。比較不同時(shí)間PIM的測(cè)試值變化,可以觀察器件是否隨著老化而性能惡化,這可以使得PIM源在升級(jí)為導(dǎo)致掉話或阻塞的故障之前被修正。
無(wú)源互調(diào)是對(duì)功率敏感的。現(xiàn)今基站發(fā)射塔承載的功率越來(lái)越大,PIM Master對(duì)此專門為測(cè)量無(wú)源互調(diào)量身設(shè)計(jì)了2 x 40 瓦的射頻功率特色功能, 能發(fā)現(xiàn)更多的傳統(tǒng)20瓦無(wú)源互調(diào)測(cè)試儀發(fā)現(xiàn)不了的無(wú)源互調(diào)問(wèn)題。無(wú)源互調(diào)問(wèn)題對(duì)功率敏感且可能是間歇時(shí)斷時(shí)續(xù)的,無(wú)源互調(diào)問(wèn)題剛剛開始出現(xiàn)并表征的時(shí)候經(jīng)常就是這樣的情況。這可能是由于輕微的腐蝕,高業(yè)務(wù)量的負(fù)荷,或者天氣條件的變化導(dǎo)致了環(huán)境半導(dǎo)體等。使用高的功率電平經(jīng)常可以使時(shí)斷時(shí)續(xù)的故障變得可以觀察。高的功率電平對(duì)發(fā)現(xiàn)多載波天線系統(tǒng)中的故障來(lái)說(shuō)是必要的,對(duì)于發(fā)現(xiàn)連接頭中的在顯微鏡下看到的縫隙形成的微觀電弧也是必要的。
安立無(wú)源互調(diào)測(cè)試方案能完成測(cè)量功能可列舉如下:
?。?)無(wú)源互調(diào)測(cè)試:發(fā)射信號(hào)的3階, 5階, 和7階互調(diào)產(chǎn)物絕對(duì)幅度和相對(duì)幅度
?。?)噪底電平:基站的接收噪底電平
?。?)無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位:系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外的多個(gè)無(wú)源互調(diào)問(wèn)題故障源一次性定位(距離和相對(duì)幅度)
(4)配套的安立手持高性能儀表為可完成頻譜測(cè)量、基站信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、各種通信制式的信號(hào)解調(diào)/射頻測(cè)量/空中接口測(cè)量功能、基站系統(tǒng)內(nèi)部單元故障排查、基站系統(tǒng)外部干擾排查與干擾定位、室內(nèi)與室外信號(hào)覆蓋、多信道掃描、基站功率監(jiān)測(cè)等功能。
四、典型測(cè)試案例與結(jié)果分析:
以下案例均來(lái)自于安立無(wú)源互調(diào)分析儀PIM Master在客戶外場(chǎng)測(cè)試中的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果。
1.線纜腐蝕受損引起的無(wú)源互調(diào)問(wèn)題定位
在某基站外場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試中,檢查某根饋線,其PIM值為-62.6dB如下:
采取安立專利特色功能DTP進(jìn)行無(wú)源互調(diào)定位,定位在約22米,結(jié)果如下:
此處位于基站塔上,工程維護(hù)人員至約22米處尋找故障,發(fā)現(xiàn)如下線纜腐蝕破損,此故障系施工質(zhì)量造成的線纜外皮劃痕,由于日曬雨淋腐蝕造成了線纜內(nèi)部受損,造成的故障。
類似的線纜腐蝕受損問(wèn)題,由于在基站塔上,如果不采取安立極具特色功能的無(wú)源互調(diào)故障定位技術(shù)手段,采取純敲擊人工手段,幾乎不可能定位和排查到。工程維護(hù)人員不用再浪費(fèi)時(shí)間敲擊鐵塔試圖定位無(wú)源互調(diào)故障源,只有無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位(Distance-to-PIMTM)技術(shù)才能發(fā)現(xiàn)的靜態(tài)無(wú)源互調(diào)故障包括: 污染了的連接頭,腐蝕的連接頭,扭矩過(guò)大的連接頭,存在微觀電弧的連接頭,天線系統(tǒng)外的無(wú)源互調(diào)問(wèn)題。無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位測(cè)試相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)源互調(diào)測(cè)試來(lái)說(shuō)提供了更多的洞察力,這些獲得的定位信息可以加速問(wèn)題源的修復(fù),控制問(wèn)題源的修復(fù)成本,幫助制定精確的預(yù)算計(jì)劃等等。
2. 天饋系統(tǒng)中無(wú)源器件質(zhì)量不合格造成的無(wú)源互調(diào)問(wèn)題定位
在某基站外場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試中,檢查某根饋線,其PIM值為-76.8dB如下:
采取安立專利特色功能DTP進(jìn)行無(wú)源互調(diào)定位,定位在約7.8米,結(jié)果如下:
此處位于饋線和掉線的連接處上,工程維護(hù)人員至約7.8米處尋找故障,發(fā)現(xiàn)如下避雷器,拆除該避雷器后,發(fā)現(xiàn)故障消失,如下。
類似的無(wú)源器件質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的無(wú)源互調(diào)故障還很多,在我們的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中,存在有無(wú)源互調(diào)故障的器件有功分器、避雷器、3dB電橋、雙工器等等。這些器件的老化或者質(zhì)量問(wèn)題是實(shí)際基站無(wú)源互調(diào)故障的潛在來(lái)源,比較不同時(shí)間PIM的測(cè)試值變化,可以觀察器件是否隨著老化而性能惡化,這可以使得PIM源在升級(jí)為導(dǎo)致掉話或阻塞的故障之前被修正。
3. 天饋系統(tǒng)中各種連接接頭造成的無(wú)源互調(diào)問(wèn)題定位及測(cè)量功率的大小
在某基站外場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試中,檢查扇區(qū)1的某根饋線,若用20W功率測(cè)試其PIM值得到-85.8dBm,如下
但用40W功率進(jìn)行測(cè)試,PIM值為-69.1dBm, 如下
采用DTP定位,結(jié)果又發(fā)現(xiàn)約2.84米處有故障,如下,遂到約2.84米處(連接饋線的接頭處)檢查故障,發(fā)現(xiàn)該接頭存在銹蝕現(xiàn)象,如下:
更換接頭后,再次測(cè)試,故障消失。
在本案例中還需特別注意,由于一開始是采用20W功率測(cè)試,檢測(cè)出來(lái)PIM值為-85.8dBm,看似正常;但其實(shí)由于未能采用基站真實(shí)的40W發(fā)射功率測(cè)量,因此測(cè)試出來(lái)的結(jié)果不真實(shí)。那么測(cè)量無(wú)源互調(diào)到底要采用多大的輸入功率呢?或者說(shuō)多大的輸入功率能滿足對(duì) 基站測(cè)試的要求呢?從應(yīng)用的角度,測(cè)試儀表的輸入功率應(yīng)與被測(cè)實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境(即基站發(fā)射功率)相一致,即取實(shí)際應(yīng)用中基站可能通過(guò)的最大功率,才可能測(cè)量得實(shí)際應(yīng)用中真實(shí)的無(wú)源互調(diào)值。。
類似的連接器接頭問(wèn)題導(dǎo)致的無(wú)源互調(diào)故障在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境中存在很多,有的是連接頭扭矩不對(duì),有的是連接頭質(zhì)量問(wèn)題,有的是連接頭松動(dòng),還有的是連接頭存在打滑等,無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位(Distance-to-PIMTM)技術(shù)能準(zhǔn)確定位發(fā)現(xiàn)連接頭不好的情況造成的無(wú)源互調(diào)故障,便于調(diào)整連接頭的連接狀況或者更換連接頭。這些連接頭的老化或者質(zhì)量問(wèn)題是實(shí)際基站無(wú)源互調(diào)故障的潛在來(lái)源,很多連接頭的故障來(lái)源于不好的施工質(zhì)量或者天長(zhǎng)日久的松動(dòng)及老化,比較不同時(shí)間PIM的測(cè)試值變化,可以觀察連接頭是否隨著老化而性能惡化或者是否隨著時(shí)間而松動(dòng)。這可以使得PIM源在升級(jí)為導(dǎo)致掉話或阻塞的故障之前被修正。
六、小結(jié):
安立無(wú)源互調(diào)測(cè)試解決方案具有以下獨(dú)特的特色:
1. 具有20瓦到40 瓦的射頻發(fā)射能力,可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)發(fā)射功率。使用高的功率電平經(jīng)常可以使時(shí)斷時(shí)續(xù)的故障變得可以觀察。高的功率電平對(duì)發(fā)現(xiàn)多載波天線系統(tǒng)中的故障來(lái)說(shuō)是必要的,這可以使得PIM源在升級(jí)為導(dǎo)致掉話或阻塞的故障之前被修正。
2. 無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位(Distance-to-PIMTM)技術(shù),能夠定位無(wú)源互調(diào)故障定位和相對(duì)幅度以及系統(tǒng)內(nèi)部和外部的無(wú)源互調(diào)故障。無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位(Distance-to-PIMTM)技術(shù)在運(yùn)營(yíng)商的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用并取得了良好的結(jié)果,無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位測(cè)量結(jié)果顯示了天線系統(tǒng)內(nèi)無(wú)源互調(diào)問(wèn)題的定位,也顯示了天線外系統(tǒng)外部無(wú)源互調(diào)源的距離。這在從現(xiàn)場(chǎng)無(wú)源互調(diào)測(cè)試中獲得的信息質(zhì)量來(lái)說(shuō)已經(jīng)取得了了難以置信的進(jìn)步了。
3. 安立PIM MasterTM可由安立手持式儀表系列控制,在完成PIM干擾排查的同時(shí)建議先用手持儀表排除基站系統(tǒng)內(nèi)外部干擾,安立高性能手持儀表可完成頻譜測(cè)量、基站信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、各種通信制式的信號(hào)解調(diào)/射頻測(cè)量/空中接口測(cè)量功能、基站系統(tǒng)內(nèi)部單元故障排查、基站系統(tǒng)外部干擾排查與干擾定位、室內(nèi)與室外信號(hào)覆蓋、多信道掃描、基站功率監(jiān)測(cè)等功能,這些是已經(jīng)被證實(shí)在基站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中屢次獲得成功的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用功能
安立公司的具有40瓦發(fā)射功率和已獲得專利的無(wú)源互調(diào)故障點(diǎn)定位(Distance-to-PIMTM)技術(shù)的PIM MasterTM是現(xiàn)今查找無(wú)源互調(diào)問(wèn)題、快速定位無(wú)源互調(diào)問(wèn)題及解決基站現(xiàn)場(chǎng)干擾問(wèn)題的最佳解決方案之一。