Intermodulación

Intermodulación (IM) o distorsión de intermodulación (IMD) es la modulación de amplitud de señales que contienen dos o frecuencias más diferentes, causadas por no linealidades o variación de tiempo en un sistema. La intermodulación entre componentes de frecuencia formará componentes adicionales en frecuencias que no son solo frecuencias armónicas (múltiplos enteros) de cualquiera de ellas, como la distorsión armónica, sino también en la suma y diferencia de frecuencias de las frecuencias originales y en sumas y diferencias de múltiplos de esas. frecuencias.

La intermodulación es causada por el comportamiento no lineal del procesamiento de señales (equipos físicos o incluso algoritmos) que se utiliza. El resultado teórico de estas no linealidades se puede calcular generando una serie de Volterra de la característica, o más aproximadamente mediante una serie de Taylor.

Prácticamente todos los equipos de audio tienen cierta no linealidad, por lo que exhibirán cierta cantidad de IMD, que sin embargo puede ser lo suficientemente baja como para ser imperceptible para los humanos. Debido a las características del sistema auditivo humano, el mismo porcentaje de IMD se percibe como más molesto en comparación con la misma cantidad de distorsión armónica.

La intermodulación tampoco suele ser deseable en la radio, ya que crea emisiones espurias no deseadas, a menudo en forma de bandas laterales. Para las transmisiones de radio, esto aumenta el ancho de banda ocupado, lo que genera interferencias en los canales adyacentes, lo que puede reducir la claridad del audio o aumentar el uso del espectro.

La IMD sólo se diferencia de la distorsión armónica en que la señal del estímulo es diferente. El mismo sistema no lineal producirá distorsión armónica total (con una entrada de onda sinusoidal solitaria) e IMD (con tonos más complejos). En música, por ejemplo, IMD se aplica intencionalmente a guitarras eléctricas utilizando amplificadores saturados o pedales de efectos para producir nuevos tonos en subarmónicos de los tonos que se tocan en el instrumento. Consulte Análisis de acordes de potencia#.

IMD también se diferencia de la modulación intencional (como un mezclador de frecuencia en receptores superheterodinos) donde las señales a modularse se presentan a un elemento no lineal intencional (multiplicado). Vea mezcladores no lineales, como diodos mezcladores e incluso circuitos mezcladores osciladores de un solo transistor. Sin embargo, si bien se pretenden los productos de intermodulación de la señal recibida con la señal del oscilador local, los mezcladores superheterodinos también pueden, al mismo tiempo, producir efectos de intermodulación no deseados a partir de señales fuertes cercanas en frecuencia a la señal deseada que caen dentro de la banda de paso del receptor..

Causas de la intermodulación

Un sistema lineal invariante en el tiempo no puede producir intermodulación. Si la entrada de un sistema lineal invariante en el tiempo es una señal de una sola frecuencia, entonces la salida es una señal de la misma frecuencia; sólo la amplitud y la fase pueden diferir de la señal de entrada.

Los sistemas no lineales generan armónicos en respuesta a la entrada sinusoidal, lo que significa que si la entrada de un sistema no lineal es una señal de una sola frecuencia, ${displaystyle ~f_{a},}$ entonces la salida es una señal que incluye varios números enteros de la señal de frecuencia de entrada; (es decir, algunos de ${displaystyle ~f_{a},2f_{a},3f_{a},4f_{a},ldots$).

La intermodulación ocurre cuando la entrada a un sistema no lineal se compone de dos o más frecuencias. Considere una señal de entrada que contiene tres componentes de frecuencia${displaystyle ~f_{a}}$, ${displaystyle ~f_{b}$, y ${displaystyle ~f_{c}$; que puede expresarse

${displaystyle x(t)=M_{a}sin(2pi f_{a}t+phi _{a})+M_{b}sin(2pi) f_{b}t+phi _{b})+M_{c}sin(2pi) F_{c}t+phi _{c}}$

Donde ${displaystyle M}$ y ${displaystyle \phi }$ son las amplitudes y fases de los tres componentes, respectivamente.

Obtenemos nuestra señal de salida, ${displaystyle y(t)}$, pasando nuestra entrada a través de una función no lineal ${displaystyle G.$:

${displaystyle y(t)=Gleft(x(t)right),}$

${displaystyle y(t)}$ contendrá las tres frecuencias de la señal de entrada, ${displaystyle ~f_{a}}$, ${displaystyle ~f_{b}$, y ${displaystyle ~f_{c}$ (que son conocidos como fundamentales frecuencias), así como una serie de combinaciones lineales de las frecuencias fundamentales, cada una en la forma

${displaystyle ~ K_{a}f_{a}+k_{b}_{b}+k_{c}f_{c}$

Donde ${displaystyle ~k_{a}$, ${displaystyle ~k_{b}$, y ${displaystyle ~k_{c}$ son números enteros arbitrarios que pueden asumir valores positivos o negativos. Estos son los productos intermodulación (o IMPs).

En general, cada uno de estos componentes de frecuencia tendrá una amplitud y fase diferentes, que dependen de la función no lineal específica que se utilice, y también de las amplitudes y fases de los componentes de entrada originales.

Más generalmente, dada una señal de entrada que contiene un número arbitrario ${displaystyle N}$ componentes de frecuencia ${displaystyle F_{a},f_{b},ldotsf_{N}$, la señal de salida contendrá varios componentes de frecuencia, cada uno de los cuales puede ser descrito por

${displaystyle k_{a}f_{a}+k_{b}f_{b}+cdots ¿Qué?$

donde los coeficientes ${displaystyle K_{a},k_{b},ldotsk_{N}$ son valores enteros arbitrarios.

Orden de intermodulación

El orden ${displaystyle O}$ de un producto de intermodulación dado es la suma de los valores absolutos de los coeficientes,

${displaystyle O=left sometidak_{a}right sobre la vida+left WordPressk_{b}right sobre la vida +cdotas - ¿Qué?$

Por ejemplo, en nuestro ejemplo original anterior, los productos de intermodulación de terceros (IMP) ocurren donde ${displaystyle Silencio_{a}Sobrevivir_{b}$:

• ${displaystyle F_{a}+f_{b}+f_{c}$
• ${displaystyle F_{a}+f_{b}-f_{c}$
• ${displaystyle F_{a}+f_{c}-f_{b}$
• ${displaystyle F_{b}+f_{c}-f_{a}$
• ${displaystyle 2f_{a}-f_{b}$
• ${displaystyle 2f_{a}-f_{c}$
• ${displaystyle 2f_{b}-f_{a}}$
• ${displaystyle 2f_{b}-f_{c}$
• ${displaystyle 2f_{c}-f_{a}}$
• ${displaystyle 2f_{c}-f_{b}$

En muchas aplicaciones de radio y audio, los IMP de orden impar son de mayor interés, ya que caen en las proximidades de los componentes de frecuencia original, y por lo tanto pueden interferir con el comportamiento deseado. Por ejemplo, la distorsión de intermodulación del tercer orden (IMD3) de un circuito se puede ver mirando una señal que se compone de dos ondas sine, una a ${displaystyle f_{1}$ y uno a ${displaystyle f_{2}$. Cuando se cube la suma de estas ondas sine se obtienen ondas sine en varias frecuencias incluyendo ${displaystyle 2times F_{2}-f_{1}$ y ${displaystyle 2times F_{1}-f_{2}$. Si ${displaystyle f_{1}$ y ${displaystyle f_{2}$ son grandes pero muy unidos entonces ${displaystyle 2times F_{2}-f_{1}$ y ${displaystyle 2times F_{1}-f_{2}$ estará muy cerca ${displaystyle f_{1}$ y ${displaystyle f_{2}$.

Intermodulación pasiva (PIM)

Como se explicó en una sección anterior, la intermodulación solo puede ocurrir en sistemas no lineales. Los sistemas no lineales generalmente se componen de componentes activos, lo que significa que los componentes deben estar polarizados con una fuente de alimentación externa que no sea la señal de entrada (es decir, los componentes activos deben estar "encendidos") 34;).

Sin embargo, la intermodulación pasiva (PIM) ocurre en dispositivos pasivos (que pueden incluir cables, antenas, etc.) que están sujetos a dos o más tonos de alta potencia. El producto PIM es el resultado de la mezcla de dos (o más) tonos de alta potencia en las no linealidades del dispositivo, como uniones de metales diferentes o uniones de óxido metálico, como conectores corroídos sueltos. Cuanto mayores son las amplitudes de la señal, más pronunciado es el efecto de las no linealidades y más prominente es la intermodulación que se produce, aunque en la inspección inicial el sistema parecería lineal e incapaz de generar intermodulación.

El requisito de "dos o más tonos de alta potencia" No es necesario que sean tonos discretos. La intermodulación pasiva también puede ocurrir entre diferentes frecuencias (es decir, diferentes "tonos") dentro de una única portadora de banda ancha. Estos PIM aparecerían como bandas laterales en una señal de telecomunicaciones, lo que interferiría con los canales adyacentes e impediría la recepción.

Las intermodulaciones pasivas son una preocupación importante en los sistemas de comunicación modernos en los casos en que se utiliza una sola antena tanto para señales de transmisión de alta potencia como para señales de recepción de baja potencia (o cuando una antena de transmisión está muy cerca de una antena de recepción). Aunque la potencia de la señal de intermodulación pasiva suele ser muchos órdenes de magnitud menor que la potencia de la señal de transmisión, la potencia de la señal de intermodulación pasiva es a menudo del mismo orden de magnitud (y posiblemente mayor) que la potencia de la señal de recepción. señal. Por lo tanto, si una intermodulación pasiva encuentra su camino para recibir, no puede filtrarse ni separarse de la señal de recepción. Por lo tanto, la señal de recepción se vería afectada por la señal de intermodulación pasiva.

Fuentes de intermodulación pasiva

Los materiales ferromagnéticos son los materiales más comunes que se deben evitar e incluyen ferritas, níquel (incluido el niquelado) y aceros (incluidos algunos aceros inoxidables). Estos materiales exhiben histéresis cuando se exponen a campos magnéticos inversos, lo que resulta en la generación de PIM.

La intermodulación pasiva también se puede generar en componentes con defectos de fabricación o mano de obra, como juntas de soldadura frías o agrietadas o contactos mecánicos mal hechos. Si estos defectos se exponen a corrientes de alta frecuencia de radio, se puede generar intermodulación pasiva. Como resultado, los fabricantes de equipos de radiofrecuencia realizan pruebas PIM de fábrica en los componentes para eliminar la intermodulación pasiva causada por estos defectos de diseño y fabricación.

La intermodulación pasiva también puede ser inherente al diseño de un componente de radiofrecuencia de alta potencia donde la corriente de radiofrecuencia se fuerza a canales estrechos o se restringe.

En el campo, la intermodulación pasiva puede ser causada por componentes que se dañaron durante el transporte al sitio de la celda, problemas de mano de obra de la instalación y por fuentes externas de intermodulación pasiva. Algunos de estos incluyen:

• Superficies o contactos contaminados debido a suciedad, polvo, humedad o oxidación.
• Colocar las uniones mecánicas debido a un par insuficiente, una mala alineación o superficies de contacto mal preparadas.
• Aflojar las uniones mecánicas causadas durante el transporte, el choque o la vibración.
• Coquetes metálicos o afeitados dentro de las conexiones de frecuencia de radio.
• Inconsistent metal-to-metal contact between radio frequency connector surfaces caused by any of the following:
  • Materiales dieléctricos (adhesivos, espuma, etc.), grietas o distorsiones al final del conductor externo de cables coaxiales, a menudo causadas por la superposición de la tuerca durante la instalación, conductores interiores sólidos distorsionados en el proceso de preparación, conductores huecos interiores excesivamente agrandados o hechos oval durante el proceso de preparación.
• La intermodulación pasiva también puede ocurrir en conectores, o cuando los conductores hechos de dos metales galvanicamente inigualables entran en contacto entre sí.
• Cerca de objetos metálicos en el haz directo y los lóbulos laterales de la antena de transmisión, incluyendo pernos oxidados, tejados, tubos de ventilación, alambres de tío, etc.

Pruebas de intermodulación pasiva

IEC 62037 es el estándar internacional para pruebas de intermodulación pasiva y brinda detalles específicos sobre las configuraciones de medición de intermodulación pasiva. La norma especifica el uso de dos tonos de +43 dBm (20 W) para las señales de prueba para pruebas de intermodulación pasiva. Este nivel de potencia ha sido utilizado por los fabricantes de equipos de radiofrecuencia durante más de una década para establecer especificaciones PASA/FALLA para componentes de radiofrecuencia.

Intermodulación en circuitos electrónicos

La distorsión inducida por giro (SID) puede producir distorsión de intermodulación (IMD) cuando la primera señal se gira (cambia de voltaje) en el límite del producto de ancho de banda de potencia del amplificador. Esto induce una reducción efectiva de la ganancia, modulando parcialmente la amplitud de la segunda señal. Si la SID solo ocurre en una parte de la señal, se denomina señal "transitoria" distorsión de intermodulación.

Medición

La distorsión de intermodulación en audio generalmente se especifica como el valor cuadrático medio (RMS) de las diversas señales de suma y diferencia como porcentaje del voltaje cuadrático medio de la señal original, aunque se puede especificar en términos de intensidad de los componentes individuales, en decibelios, como es común en el trabajo de radiofrecuencia. Las mediciones del sistema de audio (Audio IMD) incluyen el estándar SMPTE RP120-1994 donde se utilizan dos señales (a 60 Hz y 7 kHz, con relaciones de amplitud 4:1) para la prueba; muchos otros estándares (como DIN, CCIF) utilizan otras frecuencias y relaciones de amplitud. Las opiniones varían sobre la proporción ideal de frecuencias de prueba (por ejemplo, 3:4, o casi, pero no exactamente, 3:1, por ejemplo).

Después de alimentar el equipo bajo prueba con ondas sinusoidales de entrada de baja distorsión, la distorsión de salida se puede medir usando un filtro electrónico para eliminar las frecuencias originales, o se puede realizar un análisis espectral usando transformaciones de Fourier en software o un analizador de espectro dedicado, o Al determinar los efectos de intermodulación en equipos de comunicaciones, podrá realizarse utilizando el propio receptor bajo prueba.

En aplicaciones de radio, la intermodulación se puede medir como relación de potencia del canal adyacente. Las señales de intermodulación en el rango de GHz generadas por dispositivos pasivos (PIM: intermodulación pasiva) son difíciles de comprobar. Los fabricantes de estos instrumentos PIM escalares son Summitek y Rosenberger. Los últimos desarrollos son instrumentos PIM para medir también la distancia a la fuente PIM. Anritsu ofrece una solución basada en radar con baja precisión y Heuermann ofrece una solución de analizador de redes vectorial de conversión de frecuencia con alta precisión.