一种抑制通信基站无源互调干扰的算法*

杨 丽

（上海诺基亚贝尔股份有限公司，江苏 南京 210037）

0 引 言

无源互调（Passive Inter-Mmodulation，PIM）是由发射系统中各种无源器件的非线性特性引起的。在高功率条件下，一些原本认为具有线性特性的无源器件，如滤波器、双工器、接头、天线和传输电缆等，都表现出了非线性特性[1]。当两个或多个不同频率信号同时通过同一个无源射频传输系统时，由于传输系统非线性的影响，使信号之间产生非线性频率分量，这些非线性频率分量称为无源互调。这些互调信号如果落在接收频带内，且信号足够强，则形成对接收信号的干扰，称为无源互调干扰。无源互调干扰使有效传输信号发生畸变，产生噪声和杂波，从而降低小区的接收灵敏度，甚至阻塞呼叫。本文主要讨论由天线口产生的PIM信号对接收系统的影响。

1 单音信号产生的PIM信号

任意两个或以上频率的激励信号作用于非线性系统时，会产生原有的这些频率以及由这些频率所组成的新频率。由原激励信号的频率新组成的频率成分，称之为互调分量。当它们对系统产生不良作用时，称之为互调干扰[2]。PIM干扰是互调干扰的一种形式。

通信基站工作在4G频段FDD模式时，当接收频段和发射频段相隔较近时，下行发射信号经过滤波器到达天线口产生的PIM信号有可能落入上行接收频段，影响接收系统的灵敏度。以4G LTE Band2为例，FDD模式，上行接收频率范围为1 850～1 910 MHz，下行发射频率范围为1 930～1 990 MHz[3]，接收频段的高频点和发射频段的低频点只相隔了20 MHz，发射信号经过无源器件产生的PIM信号易落入接收频带内。

假设输入信号由两个单音频率信号组成，频率分别为f1和f2。常数m和n是正整数，产生的PIM信号成对频率为nf1-mf2和nf2-mf1，m+n称为PIM信号的阶数。如果m=2、n=1，那么得到的就是3阶PIM信号。3阶信号最强，危害最大，其次是5阶和7阶。由于PIM信号的功率随着阶数的增加而降低，高阶信号虽然不会直接引起频率问题，但通常会提高其落入的接收频段的噪声电平[4]。并不是所有频率分量的PIM干扰都会影响接收系统的性能，而是根据发射信号的具体频率、带宽及接收频段进行分析。

以4G LTE Band2为例进行仿真，PIM信号的功率为示意值。当下行发射系统的两个单音信号频率分别为1 950 MHz和1 970 MHz时，天线口产生的3阶、5阶、7阶PIM信号如图1所示。从图1可以看出，7阶1 890 MHz频率分量落入了接收频带内。

图1 f1=1 950 MHz、f2=1 970 MHz单音PIM信号

当下行发射系统的两个单音信号频率分别为1 945 MHz和1 975 MHz时，滤波器产生的3阶、5阶、7阶PIM信号如图2所示。从图2可以看出，5阶1 885 MHz频率分量、7阶1 855 MHz频率分量落入了接收频带内。

图2 f1=1 945 MHz、f2=1 975 MHz时单音PIM信号

当下行发射系统的两个单音信号频率分别为1 936 MHz和1 984 MHz时，滤波器产生的3阶PIM信号如图3所示。从图3可以看出，3阶1 888 MHz频率分量落入了接收频带内。

2 LTE信号产生的PIM信号

4G基站的下行发射信号都是具有一定带宽的信号，常用的带宽有1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz。宽带信号里包含多个频率分量，这些频率分量信号经过非线性系统时，同样会产生非线性的PIM信号。当发射信号为双载波时，双载波之间也会产生出3阶、5阶、7阶等频率分量的PIM信号。同样，以4G LTE Band2为例，当基站下行发射系统的信号为两个带宽10 MHz中心频率分别为1 950 MHz和1 970 MHz的LTE信号时，天线口产生的3阶、5阶、7阶PIM信号如图4所示。从图4可以看出，5阶PIM信号的中心频率为1 910 MHz，有部分频率信号落入了接收带内；7阶PIM信号的中心频率为1 890 MHz，全部频率分量落入了接收频带内。

图3 f1=1 936 MHz、f2=1 984 MHz时 单音PIM信号

图4 f1=1 950 MHz、f2=1 970 MHz宽带PIM信号

3 PIM干扰抑制算法

天线口的PIM信号频率落在接收带内时，会使接收带内的噪声电平变高，噪声不平坦，从而导致包括平均通话时间缩短、掉话率升高、数据速率降低和通话量降低等问题[1]。因此，PIM信号成为接收带内的干扰信号。为了提高接收系统的灵敏度，提高通话质量，有必要抑制接收带内的PIM干扰信号。

如果要抑制接收带内的PIM干扰信号，需要知道干扰信号的幅度相位信息。可以通过一条反馈通道获取干扰信号的信息。为了节省硬件资源，也可以根据基站发射系统的中频数字信号，先计算得到和发射信号同样频率的PIM信号，再根据发射信号频率和接收信号频率对PIM信号进行频率搬移，得到接收带内的PIM基信号。为了使模拟产生的PIM基信号更接近实际进入接收系统的PIM干扰信号，让模拟产生的信号尽可能模拟实际PIM信号经过的器件，如发射滤波器、接收滤波器等。实现框图如图5所示[5]。

利用上述方法得到的PIM信号与接收系统里的PIM信号在时间、幅度、相位上有差异，有的基站系统发射信号和接收信号的中频数据率也不一样，所以不能直接用来抵消接收系统的PIM信号。首先要把PIM基信号的数据率转换到与接收信号的数据率一致，然后在时间上把PIM信号与接收信号对齐，再根据最小二乘估计算法[6]计算PIM信号的自相关矩阵以及PIM信号和接收信号的互相关向量，根据二者结果估计接收信号里含有的PIM基信号的幅度和相位系数，最后在接收信号里进行相消处理。

图5 PIM干扰抑制实现过程

4 实测数据仿真结果

利用上述方法对实测数据进行仿真处理，基站下行发射信号为LTE 10 MHz带宽的单载波，接收系统采样到的中频数字PIM信号如图6所示，信号平均功率为-37.75 dBFS。对PIM信号进行抑制处理后的结果如图7所示，信号平均功率为-42.79 dBFS。从实测数据结果可以看出，经过PIM抑制处理后，接收系统噪声电平降低了约5 dB，可以提高系统的灵敏度。

图6 实测数据PIM信号

图7 实测数据PIM抑制后信号

5 结 语

PIM信号是通信基站中一种比较常见的无源干扰信号。根据发射系统和接收系统的频率和带宽，可以分析PIM信号对接收系统是否有影响。本文提出的方法可以降低接收频带内PIM信号的功率，且易于实现。当PIM信号带宽较大时，可以通过延迟PIM基信号增加该信号的维度，从而得到多阶系数，提高抑制能力，进一步降低接收系统中的PIM信号分量，使PIM信号与系统噪声电平接近，达到提高接收系统灵敏度的目的，进而提高通话质量。