三階互調(diào)的計(jì)算及IP3測試原理和方法

三階交截點(diǎn)(IP3)是衡量通信系統(tǒng)線性度的一個(gè)重要指標(biāo)，他反映了系統(tǒng)受到強(qiáng)信號(hào)干擾時(shí)互調(diào)失真的大小。當(dāng)系統(tǒng)的IP3較高時(shí)，要精確測試IP3 會(huì)比較困難，因?yàn)闇y試環(huán)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(xì)分析高 IP3的測試方法。

1　IP3測試原理

在無線通信設(shè) 備中，器件(如放大器、混頻器、調(diào)制/解調(diào)器等)的非線性通常會(huì)使同時(shí)侵入2個(gè)或多個(gè)強(qiáng)干擾信號(hào)發(fā)生相互調(diào)制，并產(chǎn)生新的頻率成分，這種現(xiàn)象稱為互調(diào)?；?調(diào)干擾不僅能降低有用信號(hào)的功率，引起信號(hào)失真，降低系統(tǒng)選擇性，還能破壞鄰近信道的性能。因此，互調(diào)性能是系統(tǒng)常檢指標(biāo)，通常用IP3來表示。

IP3是工作頻率信號(hào)在理想線性系統(tǒng)中的輸出信號(hào)與三階互調(diào)分量幅值相等時(shí)的交點(diǎn)，是一個(gè)固定點(diǎn)。如圖1所示［1］。該點(diǎn)是虛交點(diǎn)，實(shí)際系統(tǒng)中無法直接測出，但可以通過相關(guān)的測量值計(jì)算出來。下面將簡單介紹IP3計(jì)算式的原理。

雖 然侵入系統(tǒng)的強(qiáng)信號(hào)可能有2個(gè)或2個(gè)以上，但為了測試的方便，假設(shè)只有2個(gè)強(qiáng)的等幅單音信號(hào)侵入了系統(tǒng)。若用一個(gè)冪級(jí)數(shù)來表示器件的非線性作用，并假設(shè)單 音信號(hào)的頻率分別為f1和f2，那么不難推出三階互調(diào)分量的頻率為(2f1－f2)或(2f2－f1)。IP3(IIP3，OIP3)的計(jì)算式為［2］：

其中：IIP3為輸入IP3，是IP3的橫坐標(biāo)；
OIP3為輸出IP3，是IP3的縱坐標(biāo)；
Pin為單音信號(hào)的輸入功率電平；
Pout為單音信號(hào)的輸出功率電平；
G為被測件(Device Under Test - DUT)的小信號(hào)增益。
IMD3為三階互調(diào)失真，他等于干擾信號(hào)的輸出功率電平減去三階互調(diào)量功率電平的值，即：

式(2)中各元素的關(guān)系如圖2所示。由式(1)和(2)可知，如果測出單音信號(hào)的輸入/輸出功率和三階互調(diào)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(huán)境，向DUT輸入2個(gè)強(qiáng)的單音信號(hào)，測出DUT輸出端單音信號(hào)的電平和三階互調(diào)產(chǎn)物的電平，再利用式(1)和式(2)計(jì)算出IP3的大小。

當(dāng) DUT的線性度較好時(shí)，其IP3較高。測試這種IP3有2個(gè)特點(diǎn)：一是輸入的單音信號(hào)很強(qiáng)；二是產(chǎn)生的三階互調(diào)分量很弱。由于強(qiáng)信號(hào)輸入容易使測試系統(tǒng)其 他器件也進(jìn)入非線性狀態(tài)，產(chǎn)生同頻的互調(diào)分量或其他雜波；弱互調(diào)分量容易被大信號(hào)掩蓋，所以高IP3的測試工作不能簡單按照一般測試方法進(jìn)行，需做一些改進(jìn)：

(1)選用高質(zhì)量的信號(hào)源
信號(hào)源本身具有非線性，有一定的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)信號(hào)源輸出大功率信號(hào)時(shí)，一些器件進(jìn)入非線性狀態(tài)，使得輸出信號(hào)質(zhì)量大大降低，如含有各種雜波或多次諧波。因此需選用高質(zhì)量的信號(hào)源，如合成信號(hào)源，他的線性度較高，噪聲比較低。

(2) 隔離2個(gè)信號(hào)源，減小他們的相互作用　　如果不隔離2個(gè)信號(hào)源，他們的自適應(yīng)邏輯電路會(huì)相互作用產(chǎn)生互調(diào)分量［3］，影響DUT弱互調(diào)分量的測試。因此最 好在每個(gè)信號(hào)源與功率合成器之間加一個(gè)隔離器。鐵氧體磁性材料隔離器是較理想的選擇，因?yàn)樗?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/隔離度">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(bǔ)償衰減器的衰減量需要加大信號(hào)源的輸出功率，因此采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(qiáng)信號(hào)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生同頻互調(diào)分量，如果他的互調(diào)分量較大，就會(huì)掩蓋DUT產(chǎn)生的弱互調(diào)分量。因此，需采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(huì)產(chǎn)生互調(diào)分量，并且各個(gè)端口具有良好的匹配性。

(4)增強(qiáng)測試系統(tǒng)的匹配性
系統(tǒng)的匹配性非常重要，為確保系統(tǒng)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(gè)6～10 dB的固定衰減器［3］。系統(tǒng)統(tǒng)一采用50Ω匹配。

(5)選用動(dòng)態(tài)范圍大的頻譜分析儀
頻 譜儀的動(dòng)態(tài)范圍是指在能以給定不確定度測量較小信號(hào)的頻譜分析儀輸入端同時(shí)存在的最大信號(hào)與最小信號(hào)之比。當(dāng)測試高IP3時(shí)，輸入頻譜儀的單音信號(hào)幅度很 大而三階互調(diào)分量幅度又很小，如果頻譜儀的動(dòng)態(tài)范圍不夠?qū)o法同時(shí)測出這2種信號(hào)的大小，因此需選用大動(dòng)態(tài)范圍的頻譜分析儀。

(6)需判別測試結(jié)果的有效性
頻 譜分析儀的前端結(jié)構(gòu)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(shí)，其IIP3小于＋20 dBm。所以測試高IP3時(shí)不能忽略頻譜儀的非線性，輸入DUT的強(qiáng)單音信號(hào)也會(huì)在頻譜儀中相互調(diào)制產(chǎn)生同頻的互調(diào)分量。當(dāng)該互調(diào)分量較大時(shí)就需判斷頻譜 儀上顯示的互調(diào)分量主要是DUT產(chǎn)生的還是頻譜儀自身產(chǎn)生的，即判斷測試結(jié)果是否有效。下面總結(jié)了3種判斷方法：