Intermodulación

Efecto no lineal en modulación de amplitud.

Un gráfico del espectro de frecuencia que muestra la intermodulación entre dos señales inyectadas a 270 y 275 MHz (los picos grandes). Los productos de intermodulación visibles se ven como pequeños estímulos a 280 MHz y 265 MHz.

Los productos de intermodulación de tercer orden (D3 y D4) son el resultado del comportamiento no lineal de un amplificador. El nivel de potencia de entrada al amplificador aumenta 1 dB en cada cuadro sucesivo. La potencia de salida de las dos portadoras (M1 y M2) aumenta aproximadamente 1 dB en cada cuadro, mientras que los productos de intermodulación de tercer orden (D3 y D4) crecen 3 dB en cada cuadro. Los productos de intermodulación de orden superior (quinto orden, séptimo orden, noveno orden) son visibles a niveles de potencia de entrada muy altos a medida que el amplificador supera la saturación. Cerca de la saturación, cada dB adicional de potencia de entrada da como resultado una potencia de salida proporcionalmente menor que ingresa a las portadoras amplificadas y una potencia de salida proporcionalmente mayor a los productos de intermodulación no deseados. En la saturación y por encima de ella, la potencia de entrada adicional da como resultado una disminución en la potencia de salida, y la mayor parte de esa potencia de entrada adicional se disipa en forma de calor y aumenta el nivel de los productos de intermodulación no lineal con respecto a las dos portadoras.

La intermodulación ( IM ) o distorsión de intermodulación ( IMD ) es la modulación de amplitud de señales que contienen dos o más frecuencias diferentes , causada 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 . ^[1]

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. ^{[2] [3] [ dudoso ]}

La intermodulación tampoco suele ser deseable en 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. Ver Acorde de potencia#Análisis .

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 una entrada sinusoidal, lo que significa que si la entrada de un sistema no lineal es una señal de una sola frecuencia, entonces la salida es una señal que incluye un número de múltiplos enteros de la señal de frecuencia de entrada; (es decir, algunos de ). ${\displaystyle ~f_{a},}$ ${\displaystyle ~f_{a},2f_{a},3f_{a},4f_{a},\ldots }$

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 en , y ; que puede expresarse como ${\displaystyle ~f_{a}}$ ${\displaystyle ~f_{b}}$ ${\displaystyle ~f_{c}}$

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

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

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

${\displaystyle \ y(t)=G\left(x(t)\right)\,}$

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

${\displaystyle \ k_{a}f_{a}+k_{b}f_{b}+k_{c}f_{c}}$

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

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.

De manera más general, dada una señal de entrada que contiene un número arbitrario de componentes de frecuencia , la señal de salida contendrá un número de componentes de frecuencia, cada uno de los cuales puede describirse mediante ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle f_{a},f_{b},\ldots ,f_{N}}$

${\displaystyle k_{a}f_{a}+k_{b}f_{b}+\cdots +k_{N}f_{N},\,}$

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

Orden de intermodulación

Distribución de intermodulaciones de tercer orden: en azul la posición de las portadoras fundamentales, en rojo la posición de los IMP dominantes, en verde la posición de los IMP específicos.

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

${\displaystyle \ O=\left|k_{a}\right|+\left|k_{b}\right|+\cdots +\left|k_{N}\right|,}$

Por ejemplo, en nuestro ejemplo original anterior, los productos de intermodulación de tercer orden (IMP) ocurren donde : ${\displaystyle \ |k_{a}|+|k_{b}|+|k_{c}|=3}$

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

En muchas aplicaciones de radio y audio, los IMP de orden impar son de mayor interés, ya que se encuentran cerca de los componentes de frecuencia originales y, por lo tanto, pueden interferir con el comportamiento deseado. Por ejemplo, la distorsión de intermodulación de tercer orden ( IMD3 ) de un circuito se puede ver observando una señal que está formada por dos ondas sinusoidales , una en y otra en . Cuando elevas al cubo la suma de estas ondas sinusoidales, obtendrás ondas sinusoidales en varias frecuencias, incluidas y . Si y son grandes pero muy juntos, entonces y estará muy cerca de y . ${\displaystyle f_{1}}$ ${\displaystyle f_{2}}$ ${\displaystyle 2\times f_{2}-f_{1}}$ ${\displaystyle 2\times f_{1}-f_{2}}$ ${\displaystyle f_{1}}$ ${\displaystyle f_{2}}$ ${\displaystyle 2\times f_{2}-f_{1}}$ ${\displaystyle 2\times f_{1}-f_{2}}$ ${\displaystyle f_{1}}$ ${\displaystyle f_{2}}$

Intermodulación pasiva (PIM)

Como se explicó en una sección anterior, la intermodulación sólo 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").

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. ^[4] El producto PIM es el resultado de dos (o más) tonos de alta potencia que se mezclan 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 tiene por qué ser 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 transmisora ​​​​está muy cerca de una antena receptora). 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. ^[5]

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 uniones 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 resultaron dañados 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 por suciedad, polvo, humedad u oxidación.
• Uniones mecánicas flojas debido a un torque inadecuado, mala alineación o superficies de contacto mal preparadas.
• Uniones mecánicas sueltas causadas durante el transporte, golpes o vibraciones.
• Escamas o virutas de metal dentro de las conexiones de radiofrecuencia.
• Contacto inconsistente de metal con metal entre las superficies del conector de radiofrecuencia causado por cualquiera de los siguientes:
  • Materiales dieléctricos atrapados (adhesivos, espuma, etc.), grietas o distorsiones en el extremo del conductor exterior de cables coaxiales, a menudo causadas por apretar demasiado la tuerca trasera durante la instalación, conductores internos sólidos distorsionados en el proceso de preparación, conductores internos huecos excesivamente agrandados. o ovalado durante el proceso de preparación.
• La intermodulación pasiva también puede ocurrir en conectores o cuando conductores hechos de dos metales galvánicamente diferentes entran en contacto entre sí.
• Objetos metálicos cercanos en el haz directo y los lóbulos laterales de la antena transmisora, incluidos pernos oxidados, tapajuntas del techo, tubos de ventilación, cables tensores, 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 sólo ocurre en una parte de la señal, se denomina distorsión de intermodulación "transitoria". ^[6]

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 un porcentaje del voltaje cuadrático medio de la señal original, aunque se puede especificar en términos de intensidad de los componentes individuales, en decibeles , como es habitual en los trabajos por radiofrecuencia . Las mediciones del sistema de audio (Audio IMD) incluyen el estándar SMPTE RP120-1994 ^[6] 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, ^[7] o casi, pero no exactamente, 3:1).

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 la intermodulación. efectos en equipos de comunicaciones, pueden 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.

Ver también

• Beat (acústica)
• Medidas del sistema de audio.
• Punto de intersección de segundo orden (SOI)
• Punto de intercepción de tercer orden (TOI), una métrica de un amplificador o sistema relacionado con la intermodulación
• Efecto Luxemburgo-Gorki

Referencias

1. Rouphael, Tony J. (2014). Arquitecturas y diseño de receptores inalámbricos: antenas, RF, sintetizadores, señal mixta y procesamiento de señal digital. Prensa académica . pag. 244.ISBN​ 978-0-12378641-8. Consultado el 11 de julio de 2022 .
2. Rumsey, Francisco; Mccormick, Tim (2012). Sonido y grabación: una introducción (5ª ed.). Prensa Focal . pag. 538.ISBN​ 978-1-136-12509-6.
3. Davis, Gary; Jones, Ralph (1989). El manual de refuerzo de sonido (2ª ed.). Corporación Yamaha/ Hal Leonard . pag. 85.ISBN​ 978-0-88188-900-0.
4. Lui, PL (1990). "Interferencias de intermodulación pasiva en sistemas de comunicación". Revista de ingeniería en electrónica y comunicaciones . 2 (3): 109–118. doi :10.1049/ecej:19900029. eISSN  2051-218X. ISSN  0954-0695.
5. Eron, Murat (14 de marzo de 2014). "Características de la intermodulación pasiva". Diario de microondas . 57 : 34–38. Archivado desde el original el 11 de julio de 2022 . Consultado el 11 de julio de 2022 .
6. "Referencia de audio AES Pro para mensajería instantánea".
7. Cohen, Graeme John (julio de 2008), Cohen 3-4 Ratio: un método para medir productos de distorsión. (PDF) , Adelaida, Australia, archivado (PDF) desde el original el 7 de abril de 2022 , consultado el 1 de julio de 2022{{citation}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )(5 páginas)

•  Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).

Otras lecturas

• Butler, Lloyd (agosto de 1997). "Rendimiento de intermodulación y medición de componentes de intermodulación". Radioaficionados . VK5BR . Consultado el 30 de enero de 2012 .