Intermodulationsdistorsion och mått som tredje ordningens intercept (TOI eller IP3) har länge varit viktiga men ofta missförstådda godhetstal som beskriver linjäriteten hos en RF-komponent eller ett RF-system. Nikhil Ayer, RF-produktchef, National Instruments och Chris Chiccone, RF-ingenjör, National Instruments bringar klarhet och ger råd om hur man lämpligast bör mäta.

Den här artikeln inleds med en förklaring av vad det här måttet beskriver genom att relatera karaktärisering av tredje ordningens distorsionsprodukter till linjäritet. Sedan tittar vi på en typisk mätuppställning för IP3-mätning och hur man på bästa sätt maximerar testsignalen med hjälp av lämpliga riktkopplare, isolatorer, combiners, dämpare osv. Vi ser också hur man på bästa sätt mäter intermodulationsprodukter med en modern vektorsignalanalysator som NI PXIe-5665.
I den här artikeln undersöker vi hur man med vanlig teknik som att variera stegdämparen hittar upphovet till distorsionsprodukterna. Slutligen tittar vi på frekvensval och hur man fördelar testsignaler med flera toner för att maximera de IP3-mått som man kan få fram med en vektorsignalanalysator.

Beräkning av TOI
Ett idealt testobjekt, t ex en förstärkare, ska vara lågbrusigt och linjärt, så att det inte förvränger insignalerna. Ett svagt olinjärt system har ett förhållande mellan inspänning och utspänning som kan beskrivas med potensserien i ekvation [1]. När testobjektet arbetar i det linjära området stämmer utspänningen med potensserien.

Låt oss undersöka tredje ordningens intermodulation mellan två toner. Om man matar in två kontinuerliga vågor på testobjektets ingång, får man en insignal enligt ekvation [2].

Av potensserien framgår att en kontinuerlig insignal ger utsignaler med frekvenser 2, 3, osv. Övertonerna (partialtonerna) har amplituder som är proportionella mot 2, 3 osv. Utsignalen beskrivs av ekvation 3:

Testobjektet alstrar många toner på grund av intermodulation (den ena tonen blandas med den andra). De betydelsefullaste intermodulationstonerna är tredje ordningens toner vid frekvenserna 2 –  och 2 – som visas i fig 1.

Fig 1. Två toners intermodulationsdistorsion av tredje ordningen.

De tonerna ligger för nära i frekvens för att det ska gå att filtrera bort dem. Grundtonerna har samma styrka. Av fig 1 kan härledas att en ändring av grundtonen med 1 dB ändrar tredje ordningens distorsionsprodukter med 3 dB. I ett diagram med signalstyrkan på utgången avsatt mot signalstyrkan på ingången har grundtonernas styrka uttryckt i dBm lutningen 1. Tredje ordningens distributionsprodukter ökar med lutningen 3, vilket visas i fig 2.

Fig 2. Utgående signalens styrka avsatt mot inkommande signalens för grundtonen respektive tredje ordningens intermodulationsdistorsion.

Vid någon teoretisk signalnivå skär grundtonens och distorsionens kurvor varandra. Den skärningspunkten kallas tredje ordningens intercept (TOI eller IP3). Men skärningspunkten är teoretisk – den finns bara matematiskt och används som godhetstal i branschen. Vid praktisk användning sjunker förstärkningen betydligt, långt innan insignalen når TOI-nivån. Dessutom fungerar inte den enkla modellen med potensserien i ekvation 1 vid högre effektnivåer. I praktiken gäller den empiriska formeln för beräkning av IP3 som visas i ekvation 4, där  är skillnaden mellan effekten hos grundtonens och effekten hos tredje ordningens distorsion.

Att mäta IP3
IP3 kan uttryckas som IP3in eller IP3out. Till exempel använder man IP3in för blandare och IP3out för förstärkare. Valet av IP3 för insignalen eller utsignalen bestäms av marknads- och branschstandarder. Relationen mellan IP3out och IP3in bestäms av testobjektets förstärkning (dB).
IP3-mätningar är av flera skäl ofta några av de svåraste mätningar man kan göra. När man mäter IP3 hos en effektförstärkare, måste man förvissa sig om att distorsionsprodukterna hos både källan och signalanalysatorn är signifikant mindre än de distorsionsprodukter som beror på testobjektet. Ju lägre den IP3 är som beror på mätuppställningen, desto noggrannare blir IP3-värdet. Problemet att få en ren signalkälla och att optimera vektorsignalanalysatorns inställningar (referensnivå, upplösningsbandbredd, dämpning osv.) tas upp längre fram i den här artikeln.
Under ideala förhållanden behövs det för IP3-mätningen bara två RF-signalgeneratorer och en combiner för att man ska få en högklassig testsignal med två toner. Men ofta är det viktigt att isolera källan för att kunna göra en noggrann IP3-mätning. När man använder en måste källorna vara tillräckligt isolerad, annars kan energi från den ena källan läcka in i den andra källan, vilket visas med den gröna och den röda prickade linjen i fig 3. Tonläckaget ger upphov till AM-sidband vid differensfrekvensen, som hamnar på samma frekvens som distorsionsprodukterna. Fenomenet visas i fig 4.

Fig 3. Ideal mätuppställning för IP3 med oönskad överföring p.g.a. dålig isolering av källorna (röda och gröna pilar).

Fig 4. Bidrag till källans distorsion på grund av dålig isolering.

Optimal isolering och optimala blandarnivåer
Ett sätt att förbättra isoleringen är att välja en combiner med bästa isolering mellan portarna. Generellt har rent resistiva combiners bara mellan 6 dB och 12 dB isolering, beroende på resistorns topologi. Man kan vidta ytterligare åtgärder för att öka isoleringen genom att använda riktkopplare eller isolatorer, vilket kan ge upp till 50 dB isolering om man använder dem på båda portarna. Men riktkopplare är ofta begränsade till bara en oktav och passar därför inte för bredbandsmätningar. En lösning på det problemet är att sätta en dämpning på utgången på båda signalgeneratorerna, vilket ger ytterligare isolering av signaler som går i backriktningen. En annan möjlighet är sätta en förstärkare på källornas utgång, vilket ger inte bara den extra förstärkning man behöver för att få signaler med hög effekt utan även bra isolering.
Utöver att ordna isolering mellan källorna till testsignalen måste man även konfigurera vektorsignalanalysatorn för optimal linjäritet. Som framgår av fig 5 beror signal/brusförhållandet och internt genererade distorsionsprodukter på vektorsignalanalysatorns blandarnivå. Typiskt optimeras blandarnivån för det bästa dynamikområdet automatiskt genom justering av ”frontendens” (ingångsstegets) dämpning eller förstärkning när referensnivån sätts. Men för att justera blandarnivån manuellt kan man välja dämpningen så att man får önskad respons. Den bästa inställningen (punkt C i Figur 5) för vektorsignalanalysatorn är där blandarens nivå är tillräckligt hög för att sänka brusgolvet men också tillräckligt låg för att den internt genererade distorsionspunkterna inte ska påverka mätningen.

Fig 5. Dynamikområde för vektorsignalanalysatorn NI PXIe-5665—Bästa inställningspunkt ”C”.

Konfigurera en VNA för lägre brusgolvet
Ett enkelt sätt att avgöra om vektorsignalanalysator bidrar till IP3-måttet är att öka frontendens dämpning och se om distorsionen minskar. Om distorsionen är oförändrad kan man vara säker på att distorsionsprodukten kommer från testobjektet. Om å andra sidan den observerade distorsionen minskar, kan man dra slutsatsen att signalanalysatorns distorsion minskade för att man sänkte signalnivån vid blandaren. Med tekniken att variera stegdämparen, hittar man källan till distorsionen. Det är viktigt att ställa in referensnivån och dämpningen rätt, men man kan även sänka det effektiva brusgolvet genom att minska upplösningsbandbredden (resolution bandwidth, RBW). Ekvation 5 visar hur brusgolvet hänger samma med vektorsignalanalysatorns brusvärde och upplösningsbandbredd. Men om man minskar upplösningsbandbredden, ökar mättiden.

En annan aspekt när man ställer in vektorsignalanalysatorn är konditioneringen av mellanfrekvenssignalen. Typiskt är att man konfigurerar analysatorns förstärkning så att mellanfrekvensens styrka blir något mindre än A/D-omvandlarens totalomfång så att man förhindrar klippning. Man kan förbättra instrumentets brusgolv genom att välja en smal bandbredd för mellanfrekvensen (IF) och höja mellanfrekvensens effektnivå. För att kunna göra det måste man fördela distorsionstonerna så att de överstiger bandbredden hos analysatorns IF-filter. I fig 6 visas ett exempel på den sådan implementation. Genom att filtrera bort den tvåtoniga testsignalen reducerar man de distorsionsprodukter som genereras internt av A/D-omvandlaren, vilket möjliggör noggrannare IP3-mätning.

Fig 6. Det går att göra noggrannare IP3-mätningar genom optimering av IF-filtreringen i vektorsignalanalysatorn NI PXIe-5665.

IP3 är ett viktigt godhetstal som används i branschen för att beskriva linjäriteten hos ett testobjekt, men det finns flera svårigheter. Man måste noga tänka igenom kraven på mätuppställningen för att få en ren tvåtonskälla med tillräcklig isolering och konfigurera vektorsignalanalysatorn rätt. Efter hand som utrustningarna blir mer och mer avancerade blir det svårare att mäta IP3 och allt viktigare att investera i instrument av högsta klass för att få fram detta känsliga men viktiga mått.

Filed under: Radimat