基站的無源互調(diào)問題及其故障定位 - 全文

　　無源互調(diào)（PIM）是一種發(fā)生在無源器件上的互調(diào)失真，比如濾波器，合路器，浪涌保護(hù)器，線纜，連接頭，天線等。這些器件通常被認(rèn)為是線性的，但是他們受到高功率信號激勵時會產(chǎn)生雜散信號?；镜臒o源互調(diào)問題已經(jīng)成為干擾網(wǎng)絡(luò)性能的最前沿問題，近年來越來越受到關(guān)注，怎樣定位與排查基站的無源互調(diào)故障也是令基站維護(hù)者困擾倍增。本文從無源互調(diào)的基本概念入手，解釋為什么無源互調(diào)干擾越來越受到重視，然后具體闡述基站現(xiàn)場的無源互調(diào)測試與定位解決方案，最后分享用安立公司PIM Master在基站現(xiàn)場測試中的一些典型案例與結(jié)果分析。

　　一、什么是無源互調(diào)（Passive Intermodulation， PIM）？

　　無源互調(diào)（PIM）是一種發(fā)生在無源器件上的互調(diào)失真，比如濾波器，合路器，浪涌保護(hù)器，線纜，連接頭，天線等。這些器件通常被認(rèn)為是線性的，但是他們受到高功率信號激勵時會產(chǎn)生雜散信號。

　　無源互調(diào)（PIM）顯示一系列由兩個或多個強射頻信號在非線性器件（比如松散或腐蝕的連接頭，或附近生銹物）中混頻產(chǎn)生的不需要的信號， 無源互調(diào)（PIM）現(xiàn)象又稱為“環(huán)境二極管效應(yīng)”或“銹門栓效應(yīng)”。

　　下面這組方程可以精確描述兩個載波F1，F(xiàn)2的無源互調(diào)產(chǎn)物頻率：

　　IMn+m = nF1 – mF2

　　IMn+m = nF2 – mF1

　　F1 和 F2 是發(fā)射載波頻率，常數(shù) n 和 m是正整數(shù)。當(dāng)提到無源互調(diào)產(chǎn)物時， n + m 的和稱為互調(diào)階數(shù)。如果m等于2，n等于1，則他們的和 （2+1=3） 稱為3階交調(diào) 即 IM3。

　　
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　　典型的， 3階互調(diào)產(chǎn)物是最強的可能落在接收頻段內(nèi)對接收信號造成危害的互調(diào)產(chǎn)物，因為無源互調(diào)產(chǎn)物的幅度隨著階數(shù)的增高而變低，高階的互調(diào)產(chǎn)物一般情況下不會強道直接導(dǎo)致頻率問題，但是他們通常會是導(dǎo)致近鄰的頻段噪底電平上升的原因。

　　一旦這些上升的噪底電平落入接收頻段，他們便進(jìn)入到基站接收信號范圍內(nèi)（有時候通過低噪放），會對基站信號接收造成影響。

　　要認(rèn)識到，從調(diào)制信號引起的互調(diào)信號比從基波信號引起的互調(diào)信號的帶寬要寬。因此，互調(diào)產(chǎn)物可以有非常寬的頻帶，占用好幾個通頻帶。

　　二、為什么無源互調(diào)問題越來越受關(guān)注？

　　移動通信高速數(shù)據(jù)通信的發(fā)展增加了蜂窩系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量，也在一定程度上影響了網(wǎng)絡(luò)性能。隨著額外新增的的移動通信發(fā)射機(jī)和調(diào)制信號添加到既有的或新的基站，統(tǒng)計到的基站性能可能大幅變化，這可能會導(dǎo)致基站性能變差、扇區(qū)性能惡化或者覆蓋率降低等等。

　　無源互調(diào)問題近來已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)性能的最前沿問題，基于以下一系列原因或幾個原因的組合：：

　　? 越來越高的射頻功率

　　? 相同的天線陣上多個頻段的系統(tǒng)

　　? 滿負(fù)荷的多載波系統(tǒng)

　　? 高負(fù)荷的高密度/業(yè)務(wù)量基站

　　? 寬帶接收濾波器

　　? 復(fù)用天線陣

　　? 越來越寬的信號帶寬5MHz， 10MHz， 20 MHz等

　　? 體系架構(gòu)老化–主要是腐蝕的或松的連接頭

　　? 由周圍環(huán)境導(dǎo)致的環(huán)境二極管效應(yīng)

　　? 由干濕天氣條件造成的間歇、時斷時續(xù)的環(huán)境二極管效應(yīng)

　　? 鄰基站產(chǎn)生無源交通

　　
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　　天線的腐蝕銹濁可能導(dǎo)致無源互調(diào)現(xiàn)象 天饋線系統(tǒng)的各個組件可能成為導(dǎo)致互調(diào)的主要潛在源

　　一個現(xiàn)場的無源互調(diào)測量應(yīng)當(dāng)是一個線性度測量和建筑質(zhì)量測量的綜合。這就是為什么必須要在現(xiàn)場測量無源互調(diào)的原因。

　　三、無源互調(diào)現(xiàn)場測試與定位方案：

　　為了測試基站的接收機(jī)干擾是否受到兩個或者多個發(fā)射頻率的無源互調(diào)干擾，安立公司開發(fā)專用于測量無源互調(diào)的無源互調(diào)分析儀PIM MasterTM。安立公司針對移動通信CDMA頻段，E-GSM頻段，PCS和AWS頻段推出了其第一代高性能無源互調(diào)測試系列解決方案PIM MasterTM ，包括MW8208A，MW8209A和MW8219A，分別覆蓋中國移動，中國聯(lián)通和中國電信運營頻段的無源互調(diào)測試。

　　安立公司具有40瓦發(fā)射功率和已獲得專利的無源互調(diào)故障點定位（Distance-to-PIMTM）技術(shù)的PIM MasterTM是專為現(xiàn)場查找無源互調(diào)問題、快速定位無源互調(diào)問題的而設(shè)計的方案。

　　安立公司開發(fā)并發(fā)明的精確定位無源互調(diào)故障源的技術(shù)，稱為無源互調(diào)故障點定位（Distance-to-PIMTM，即DTP），已獲得美國專利，為安立無源互調(diào)分析儀PIM MasterTM的特色功能。工程維護(hù)人員不用再浪費時間敲擊鐵塔試圖定位無源互調(diào)故障源，如果無源互調(diào)來自于天線系統(tǒng)或者周圍環(huán)境也不用再猶豫不決，在幾秒鐘內(nèi)，無源互調(diào)故障點定位（Distance-to-PIMTM）技術(shù)可以測量天線系統(tǒng)內(nèi)和天線系統(tǒng)外的所以的靜態(tài)無源互調(diào)故障問題的相對幅度大小和故障。只有無源互調(diào)故障點定位（Distance-to-PIMTM）技術(shù)才能發(fā)現(xiàn)的無源互調(diào)故障包括： 污染了的連接頭，腐蝕的連接頭，扭矩過大的連接頭，存在微觀電弧的連接頭，天線系統(tǒng)外的無源互調(diào)問題。無源互調(diào)故障點定位測試相對于傳統(tǒng)的無源互調(diào)測試來說提供了更多的洞察力，這些獲得的定位信息可以加速問題源的修復(fù)，控制問題源的修復(fù)成本，幫助制定精確的預(yù)算計劃等等。比較不同時間PIM的測試值變化，可以觀察器件是否隨著老化而性能惡化，這可以使得PIM源在升級為導(dǎo)致掉話或阻塞的故障之前被修正。

　　無源互調(diào)是對功率敏感的?，F(xiàn)今基站發(fā)射塔承載的功率越來越大，PIM Master對此專門為測量無源互調(diào)量身設(shè)計了2 x 40 瓦的射頻功率特色功能， 能發(fā)現(xiàn)更多的傳統(tǒng)20瓦無源互調(diào)測試儀發(fā)現(xiàn)不了的無源互調(diào)問題。無源互調(diào)問題對功率敏感且可能是間歇時斷時續(xù)的，無源互調(diào)問題剛剛開始出現(xiàn)并表征的時候經(jīng)常就是這樣的情況。這可能是由于輕微的腐蝕，高業(yè)務(wù)量的負(fù)荷，或者天氣條件的變化導(dǎo)致了環(huán)境半導(dǎo)體等。使用高的功率電平經(jīng)?？梢允箷r斷時續(xù)的故障變得可以觀察。高的功率電平對發(fā)現(xiàn)多載波天線系統(tǒng)中的故障來說是必要的，對于發(fā)現(xiàn)連接頭中的在顯微鏡下看到的縫隙形成的微觀電弧也是必要的。

　　安立無源互調(diào)測試方案能完成測量功能可列舉如下：

　?。?）無源互調(diào)測試：發(fā)射信號的3階， 5階， 和7階互調(diào)產(chǎn)物絕對幅度和相對幅度

　?。?）噪底電平：基站的接收噪底電平

　　（3）無源互調(diào)故障點定位：系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外的多個無源互調(diào)問題故障源一次性定位（距離和相對幅度）

　?。?）配套的安立手持高性能儀表為可完成頻譜測量、基站信號質(zhì)量監(jiān)測、各種通信制式的信號解調(diào)/射頻測量/空中接口測量功能、基站系統(tǒng)內(nèi)部單元故障排查、基站系統(tǒng)外部干擾排查與干擾定位、室內(nèi)與室外信號覆蓋、多信道掃描、基站功率監(jiān)測等功能。

　　四、典型測試案例與結(jié)果分析：

　　以下案例均來自于安立無源互調(diào)分析儀PIM Master在客戶外場測試中的實際現(xiàn)場測試結(jié)果。

　　1.線纜腐蝕受損引起的無源互調(diào)問題定位

　　在某基站外場的實際測試中，檢查某根饋線，其PIM值為-62.6dB如下：

　　采取安立專利特色功能DTP進(jìn)行無源互調(diào)定位，定位在約22米，結(jié)果如下：

　　此處位于基站塔上，工程維護(hù)人員至約22米處尋找故障，發(fā)現(xiàn)如下線纜腐蝕破損，此故障系施工質(zhì)量造成的線纜外皮劃痕，由于日曬雨淋腐蝕造成了線纜內(nèi)部受損，造成的故障。

　　類似的線纜腐蝕受損問題，由于在基站塔上，如果不采取安立極具特色功能的無源互調(diào)故障定位技術(shù)手段，采取純敲擊人工手段，幾乎不可能定位和排查到。工程維護(hù)人員不用再浪費時間敲擊鐵塔試圖定位無源互調(diào)故障源，只有無源互調(diào)故障點定位（Distance-to-PIMTM）技術(shù)才能發(fā)現(xiàn)的靜態(tài)無源互調(diào)故障包括： 污染了的連接頭，腐蝕的連接頭，扭矩過大的連接頭，存在微觀電弧的連接頭，天線系統(tǒng)外的無源互調(diào)問題。無源互調(diào)故障點定位測試相對于傳統(tǒng)的無源互調(diào)測試來說提供了更多的洞察力，這些獲得的定位信息可以加速問題源的修復(fù)，控制問題源的修復(fù)成本，幫助制定精確的預(yù)算計劃等等。

　　2. 天饋系統(tǒng)中無源器件質(zhì)量不合格造成的無源互調(diào)問題定位

　　在某基站外場的實際測試中，檢查某根饋線，其PIM值為-76.8dB如下：

　　采取安立專利特色功能DTP進(jìn)行無源互調(diào)定位，定位在約7.8米，結(jié)果如下：

　　此處位于饋線和掉線的連接處上，工程維護(hù)人員至約7.8米處尋找故障，發(fā)現(xiàn)如下避雷器，拆除該避雷器后，發(fā)現(xiàn)故障消失，如下。

　　類似的無源器件質(zhì)量問題導(dǎo)致的無源互調(diào)故障還很多，在我們的實際現(xiàn)場測試中，存在有無源互調(diào)故障的器件有功分器、避雷器、3dB電橋、雙工器等等。這些器件的老化或者質(zhì)量問題是實際基站無源互調(diào)故障的潛在來源，比較不同時間PIM的測試值變化，可以觀察器件是否隨著老化而性能惡化，這可以使得PIM源在升級為導(dǎo)致掉話或阻塞的故障之前被修正。

　　3. 天饋系統(tǒng)中各種連接接頭造成的無源互調(diào)問題定位及測量功率的大小

　　在某基站外場的實際測試中，檢查扇區(qū)1的某根饋線，若用20W功率測試其PIM值得到-85.8dBm，如下

　　但用40W功率進(jìn)行測試，PIM值為-69.1dBm， 如下

　　采用DTP定位，結(jié)果又發(fā)現(xiàn)約2.84米處有故障，如下，遂到約2.84米處（連接饋線的接頭處）檢查故障，發(fā)現(xiàn)該接頭存在銹蝕現(xiàn)象，如下：

　　更換接頭后，再次測試，故障消失。

　　在本案例中還需特別注意，由于一開始是采用20W功率測試，檢測出來PIM值為-85.8dBm，看似正常；但其實由于未能采用基站真實的40W發(fā)射功率測量，因此測試出來的結(jié)果不真實。那么測量無源互調(diào)到底要采用多大的輸入功率呢？或者說多大的輸入功率能滿足對 基站測試的要求呢？從應(yīng)用的角度，測試儀表的輸入功率應(yīng)與被測實際應(yīng)用的環(huán)境（即基站發(fā)射功率）相一致，即取實際應(yīng)用中基站可能通過的最大功率，才可能測量得實際應(yīng)用中真實的無源互調(diào)值。。

　　類似的連接器接頭問題導(dǎo)致的無源互調(diào)故障在實際現(xiàn)場測試環(huán)境中存在很多，有的是連接頭扭矩不對，有的是連接頭質(zhì)量問題，有的是連接頭松動，還有的是連接頭存在打滑等，無源互調(diào)故障點定位（Distance-to-PIMTM）技術(shù)能準(zhǔn)確定位發(fā)現(xiàn)連接頭不好的情況造成的無源互調(diào)故障，便于調(diào)整連接頭的連接狀況或者更換連接頭。這些連接頭的老化或者質(zhì)量問題是實際基站無源互調(diào)故障的潛在來源，很多連接頭的故障來源于不好的施工質(zhì)量或者天長日久的松動及老化，比較不同時間PIM的測試值變化，可以觀察連接頭是否隨著老化而性能惡化或者是否隨著時間而松動。這可以使得PIM源在升級為導(dǎo)致掉話或阻塞的故障之前被修正。

　　六、小結(jié)：

　　安立無源互調(diào)測試解決方案具有以下獨特的特色：

　　1. 具有20瓦到40 瓦的射頻發(fā)射能力，可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)發(fā)射功率。使用高的功率電平經(jīng)?？梢允箷r斷時續(xù)的故障變得可以觀察。高的功率電平對發(fā)現(xiàn)多載波天線系統(tǒng)中的故障來說是必要的，這可以使得PIM源在升級為導(dǎo)致掉話或阻塞的故障之前被修正。

　　2. 無源互調(diào)故障點定位（Distance-to-PIMTM）技術(shù)，能夠定位無源互調(diào)故障定位和相對幅度以及系統(tǒng)內(nèi)部和外部的無源互調(diào)故障。無源互調(diào)故障點定位（Distance-to-PIMTM）技術(shù)在運營商的現(xiàn)場測試中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用并取得了良好的結(jié)果，無源互調(diào)故障點定位測量結(jié)果顯示了天線系統(tǒng)內(nèi)無源互調(diào)問題的定位，也顯示了天線外系統(tǒng)外部無源互調(diào)源的距離。這在從現(xiàn)場無源互調(diào)測試中獲得的信息質(zhì)量來說已經(jīng)取得了了難以置信的進(jìn)步了。

　　3. 安立PIM MasterTM可由安立手持式儀表系列控制，在完成PIM干擾排查的同時建議先用手持儀表排除基站系統(tǒng)內(nèi)外部干擾，安立高性能手持儀表可完成頻譜測量、基站信號質(zhì)量監(jiān)測、各種通信制式的信號解調(diào)/射頻測量/空中接口測量功能、基站系統(tǒng)內(nèi)部單元故障排查、基站系統(tǒng)外部干擾排查與干擾定位、室內(nèi)與室外信號覆蓋、多信道掃描、基站功率監(jiān)測等功能，這些是已經(jīng)被證實在基站現(xiàn)場測量中屢次獲得成功的現(xiàn)場應(yīng)用功能

　　安立公司的具有40瓦發(fā)射功率和已獲得專利的無源互調(diào)故障點定位（Distance-to-PIMTM）技術(shù)的PIM MasterTM是現(xiàn)今查找無源互調(diào)問題、快速定位無源互調(diào)問題及解決基站現(xiàn)場干擾問題的最佳解決方案之一。
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