无源互调对通信系统的影响因素与优化

当PIM 干扰叠加到上行接收信号时，会使上行接收信号的误差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）指标变差，从而影响上行接收信号的判决，使上行链路信号传输出现错误码元，进而影响上行通信链路的解调性能。对于PIM 干扰对通信系统解调环节的影响，采用上行链路传输的误码率来衡量。

PIM 干扰对通信系统的影响要素主要包括器件非线性程度、下行链路信号特性、上行链路信号特性。PIM 干扰对通信系统的影响要素与通信系统性能的关联关系如图6－1 所示。

无源微波部件的器件材料、器件工艺、器件使用时间以及环境变化，都会影响其线性特性，即易产生非线性效应。无源非线性主要可以分为材料非线性和接触非线性。无源器件的非线性特性、下行链路信号特性、上行链路信号特性会对通信链路中的干扰功率、干扰带宽、信号功率、信号带宽产生影响，进而影响通信链路中的信干比（即有用信号与PIM 干扰信号功率比）。通信链路中信干比的变化和上行链路信号的调制方式等特性会影响通信系统的误码率、同步捕获概率等通信系统性能指标。

图6-1　PIM 干扰对通信系统的影响要素与通信系统性能的关联关系

本节将从无源器件非线性特性、下行链路信号特性、上行链路信号特性等方面入手，分析PIM 干扰对通信系统性能的影响。

6.2.1.1　无源器件非线性特性与通信系统性能的关联关系

微波部件产生PIM 干扰主要有两方面原因，即接触非线性、材料非线性。接触非线性是指具有非线性电流（或非线性电压）行为的接触引起的非线性；材料非线性是指由于材料本身所具有的非线性特性而引起的非线性。

由于星上PIM 干扰主要是大功率下行链路信号经过无源器件的非线性引起的，故无源器件的非线性程度对PIM 产物的影响非常大。当PIM 器件的非线性程度比较小时，PIM 产物的功率较小，PIM 产物的带宽较窄，进而导致误码率较低、捕获概率较高；当PIM 器件的非线性程度较大时，导致PIM 产物的功率较大，PIM 产物的带宽较宽，进而导致误码率较大、捕获概率较低。

目前多采用幂级数模型来分析PIM 干扰对通信系统性能的影响。近年来，随着对PIM 研究的重视，部分学者提出了新的PIM 行为模型。

理论上已经证明，幂级数模型可以逼近任何连续的无记忆非线性行为，故幂级数模型可以用于描述无源微波部件的非线性特性。即

式中，Y（t）——PIM 产物；

X（t）——输入信号。

幂级数模型相对于其他非线性模型而言，形式简单，普适性好。因此，本节采用幂级数模型为主要模型进行分析研究。

法国的Jacques Sombrin 等人于2014 年提出了一种新的多载波PIM 干扰表示方法。该模型由实验结果总结得出，相比幂级数模型更简单，可有效表示PIM 干扰，便于理论分析。其指出，PIM 干扰的非线性行为可以表示为

式中，vout——输出信号（经过无源器件后，包含PIM 的输出信号）；

α——线性参数；

vin——输入信号；

β——幂次参数，其值在0.6 ～1.5 之间。

6.2.1.2　下行链路信号特性与通信系统性能的关联关系

PIM 产物的频率是输入信号频率的线性组合，故下行链路信号的功率、下行链路信号的带宽、下行链路信号的复用路数都会对PIM 干扰的功率和带宽等特性产生影响。(www.xing528.com)

1.下行链路信号功率与通信系统性能的关联关系

PIM 干扰信号的功率与下行链路信号的功率密切相关。当下行链路信号的功率比较小时，PIM 干扰信号的功率比较小，经常可以忽略。但是当下行链路信号大功率发射时，PIM 干扰信号的功率往往不能忽略。下行链路信号的功率越大，PIM 干扰信号的功率就越大，且PIM 干扰信号的功率随下行链路信号功率的增大呈非线性增大。以典型的幂级数模型描述5 次幂项x5 为例，当下行链路信号的功率增加1 dB 时，由该项产生的PIM 产物的功率增加5 dB。由此可见，干扰信号的功率与下行链路信号的功率密切相关。

在有用信号功率一定的情况下，随着PIM 干扰信号的功率增大，整个通信链路的信干比降低，通信系统的解调性能和同步捕获性能降低，误码率升高，捕获概率降低。

2.下行链路信号带宽与通信系统性能的关联关系

下行链路信号的频谱带宽对干扰带宽是有重要影响的，且PIM 产物的带宽会随着PIM 阶数的增大而增加。双载波情况下PIM 产物的频谱示意如图6－2所示。

下行链路信号的频谱带宽越宽，干扰信号带宽就越宽。且由于PIM 阶数越高带宽就越宽的频谱特点，下行链路信号的频谱变宽会使更多阶数落入感兴趣的接收频带。表6－1 说明了双载波情况下不同带宽的下行发射信号所产生的PIM 产物落入上行接收频带的阶数情况。

图6-2　双载波情况下PIM 产物的频谱示意

表6-1　不同带宽的下行发送信号所产生的PIM 产物落入接收频带的阶数统计

由表6－1 的数据统计可以看出，在信号的下行频率、上行频率、上行接收带宽相同的情况下，下行链路信号的带宽越宽，将会有更多PIM 产物落入上行链路信号的接收频带。这说明下行链路信号的带宽直接影响了PIM 干扰的干扰功率和干扰带宽，从而影响上行通信链路的信干比，进而影响通信系统上行的误码率和正确捕获概率。

3.下行链路信号复用路数与通信系统性能的关联关系

下行链路信号的复用路数对PIM 干扰信号的带宽、PIM 干扰信号的功率是有影响的。有文献表明，PIM 产物的频谱复杂度会随着载波数目和产物阶数的增长呈指数增长。图3－1 给出了3 载波情况下5 阶PIM 产物频率的简化遍历树。

尽管图3－1 给出的3 载波5 阶PIM 产物的频率遍历树已经通过数论的方法进行了简化，但是依然比较复杂。随着载波数目和PIM 产物阶数的增加，PIM产物的遍历树会更加复杂，PIM 干扰的频率分量会更多，频谱会更加复杂。这说明下行链路信号的复用路数会影响PIM 干扰的干扰功率和干扰带宽，从而影响了上行通信链路的信干比，进而影响通信系统上行的误码率和捕获概率。

6.2.1.3　上行链路信号特性与通信系统性能的关联关系

对通信系统的性能有影响的上行链路信号特性主要包括信号功率、信号带宽、调制方式、编码方式、通信体制（定频扩频）等因素。

上行链路信号的功率直接影响上行通信链路的信干比。当干扰一定时，上行链路信号功率越大，信干比就越高。信干比越高，通信系统性能越好，误码率就越低，捕获概率就越高。

上行链路信号的带宽对通信系统的性能也有影响。PIM 干扰一般是指落入上行接收频带中的PIM 产物，故当上行接收功率一定、接收频带变宽时，落入接收频带中的PIM 干扰的功率变高，信干比降低，通信系统性能变差，误码率变高，正确同步捕获概率降低。

上行链路信号的调制方式、编码方式、通信体制都会对通信系统的性能产生影响。信号经过不同的调制方式调制后会得到不同的星座图，而星座图与通信系统抗干扰性能有直接关系，故不同的调制方式下，PIM 干扰对通信系统性能的影响不同，其上行接收信号的误码率和正确同步捕获概率也不同。对上行链路信号进行编码，编码方式不同，通信系统的纠错能力也不同。故不同的编码方式下，PIM 干扰对通信系统的影响不同，编码方式会影响上行接收信号的误码率。扩频通信相对于定频通信来说，具有抗多径、抗干扰的特点，故是否采用扩频的通信体制会影响PIM 干扰下通信系统的性能，即影响通信系统的误码率和捕获概率。

上行链路信号的功率、带宽、调制方式、编码方式以及通信体制都是PIM对通信系统性能的影响因素。在合适的调制方式、编码方式、通信体制下，上行链路的信干比越高，通信系统的性能就越好、上行链路信号的传输误码率就越低、捕获概率就越高。