Produits d'intermodulation dans l'émetteur - ITU

RAPPORT UIT-R SM.2021 PRODUITS D'INTERMODULATION DANS L'ÉMETTEUR:
CAUSES DU PHÉNOMÈNE ET TECHNIQUES
DE RÉDUCTION (Question UIT-R 211/1) (2000)
Rap. UIT-R SM.2021 TABLE DES MATIÈRES Page 1 Introduction 2 2 Apparition du phénomène d'intermodulation 2
2.1 Produits d'intermodulation associés à des fréquences discrètes
2
2.2 Bruit d'intermodulation résultant de la continuité du domaine
fréquentiel 5 3 Techniques de réduction 7
3.1 Suppression au niveau de l'émetteur 8
3.1.1 Configuration de l'émetteur 8
3.1.2 Filtrage 9
3.1.3 Linéarisation 12
3.2 Contre les produits d'intermodulation: le blindage individuel
des émetteurs 17
3.2.1 Espacement des antennes 18
3.2.2 Diagramme d'antenne 19
3.3 Autres mesures de réduction 19
3.3.1 Réduction des produits d'intermodulation dans le récepteur
19
3.3.2 Dispositions de fréquences 19
3.4 Exemples de produits intermodulation générés sur un site où
coexistent
des installations MF et des systèmes radiomobiles publics 20
3.4.1 Intermodulation entre émetteurs MF 21
3.4.2 Intermodulation entre émetteurs de station de base de
système PMR 23
3.4.3 Intermodulation à l'entrée d'une station de base de
système PMR 23
3.4.4 Intermodulation entre émetteur MF et émetteur de système
PMR 24 Références bibliographiques et Bibliographie 25 Annexe 1 - Description mathématique du phénomène d'intermodulation dans un
émetteur 26 1 Introduction
Il existe divers types de produits d'intermodulation. Dans les systèmes de
radiocommunication, le phénomène se manifeste de diverses manières et la
Recommandation UIT-R SM.1446 distingue les cinq catégories suivantes: Type 1: Intermodulation par un seul canal: distorsion du signal utile
dû à la non-linéarité des circuits de l'émetteur. Type 2: Intermodulation par plusieurs canaux: distorsion des signaux
utiles de plusieurs canaux causée par la non-linéarité des circuits
d'émetteurs identiques. Type 3: Intermodulation entre émetteurs: situés sur un même site, soit
dans les émetteurs eux-mêmes soit dans une composante non linéaire sur le
site. Type 4: Intermodulation due à des antennes actives: lorsque le mode de
fonctionnement multiporteuses d'une antenne active et la non-linéarité des
amplificateurs induisent des rayonnements non essentiels sous forme de
signaux d'intermodulation. Type 5: Intermodulation due à des circuits passifs: lorsque plusieurs
émetteurs partagent une même antenne. Le phénomène est dû dans ce cas à la
non-linéarité des circuits passifs. Les causes du phénomène et les moyens qui permettent d'en réduire les
effets sont décrits de façon plus détaillée dans les sections qui suivent,
où l'on trouvera quelques exemples de produits d'intermodulation
apparaissant dans des équipements de radiocommunication. Pour les
techniques de mesure, se reporter à la Recommandation UIT-R SM.1446. On
trouvera enfin à la fin du présent rapport une bibliographie complète
comportant notamment des références concernant la mesure des types
d'intermodulation 1 à 3 [ETSI, 1997; Shahid et autres, 1996; Bhargava et
autres, 1981; Manuel de l'UIT-R sur les rôles des communications par
satellite dans le service fixe (Appendice 2-1, § 5); Heathman, 1989; Bond
et Meyer, 1970; Shimbo, 1971; Saleh, 1982; Wassermann et autres, 1983;
Tondryk, 1991; Kaeadar, 1986; IESS, 1996; ETSI, 1995]. Dans le cas de systèmes de modulation numérique, on utilise souvent
l'expression bruit d'intermodulation en remplacement de produit
d'intermodulation. 2 Apparition du phénomène d'intermodulation
Le phénomène d'intermodulation est depuis toujours l'un des principaux
éléments déterminants de la qualité de fonctionnement d'un émetteur
fonctionnant en modulation d'amplitude (bande latérale unique ou bandes
latérales indépendantes). Théoriquement, il ne concerne pas les systèmes de
transmission à enveloppe constante, mais, dans la pratique, certaines de
ces techniques de modulation ne donnent pas une enveloppe parfaitement
constante de sorte que, si l'on veut éviter tout débordement spectral, il
faut absolument une amplification linéaire. 2.1 Produits d'intermodulation associés à des fréquences discrètes
L'approche qui suit [Chadwick, 1986] est classique et donne une analyse
complète d'un signal d'entrée qui peut être représenté par des fréquences
discrètes, comme tout signal analogique dans le domaine temporel. Elle peut
également s'avérer utile lorsque l'on cherche à comprendre les principes de
base du phénomène d'intermodulation. Un amplificateur peut être caractérisé par une série de Taylor de la
fonction de transfert généralisée [Chadwick, 1986] suivante: [pic] dans laquelle i0 représente le courant de repos en sortie, k1, k2, etc.
sont des coefficients et eIN correspond au signal d'entrée. Soit deux
fréquences sinusoïdales ?1 ' 2? f1 et ?2 ' 2? f2 d'amplitudes respectives
a1 et a2 appliquées à l'entrée d'un amplificateur. Le signal d'entrée est
de forme: [pic] et l'on démontre que la sortie iOUT est la somme des composantes continues: [pic] des composantes fondamentales: [pic] [pic] des composantes de deuxième ordre: [pic] [pic] [pic] des composantes de troisième ordre: [pic] [pic] [pic] [pic] des composantes de 4ème ordre: [pic] [pic] et des composantes de 5ème ordre: [pic] [pic] [pic] Si on le souhaite, cette série peut être encore étendue aux termes de forme
[pic] etc. La Fig. 1 illustre les relations entre les différents produits:
à partir de cette figure, et des équations, on constate que tous les termes
d'ordre impair donnent des sorties qui sont des harmoniques du signal
appliqué à l'entrée alors que les produits somme et différence sont très
éloignés en fréquence du signal d'entrée. Toutefois, les produits d'ordre
impair donnent des signaux proches des fréquences d'entrée f1 ± 2f2 et
f2 ± 2f1: c'est dire que les produits d'intermodulation d'ordre impair ne
peuvent pas être supprimés par filtrage et que la seule solution réside
dans une amélioration de la linéarité. [pic] FIGURE 1.[Rap.2021-01] En classe A, a1 ' a2 et k4 et k5 sont très petits. Le produit
d'intermodulation de 3ème ordre IM3 devient proportionnel à a3: la fonction
représentant le cube de l'amplitude du signal d'entrée et la représentation
graphique des produits d'intermodulation auront une pente de 3 en échelle
logarithmique, tandis que le signal utile aura une pente de 1 (Fig. 2). Le
calcul des produits d'intermodulation de 2ème ordre est analogue, et dans
ce cas la pente est de 2. Les points d'intersection de ces droites sont
dénommés respectivement point d'intersection de 3ème ordre (IP3) et point
d'intersection de 2ème ordre (IP2). Au point IP3, le produit
d'intermodulation est égal au signal fondamental. Ce point d'intersection
ne présente qu'un intérêt purement théorique, mais il est très utile pour
comparer des équipements. Si l'on veut par exemple comparer un équipement
générant des produits d'intermodulation de -40 dBm pour une puissance
d'entrée de 0 dBm à un équipement générant des taux d'intermodulation de
-70 dBm lorsque le niveau du signal appliqué à l'entrée est de -10 dBm, le
point d'intersection permet de dire que ces deux équipements sont
équivalents. Lorsque le niveau du signal d'entrée augmente, on parvient à un point à
partir duquel l'augmentation du signal de sortie n'est plus proportionnelle
à celle du signal appliqué à l'entrée: c'est le phénomène de compression du
gain, très important lorsque l'on définit la dynamique de l'équipement.
Considérons par exemple un amplificateur caractérisé par un point
d'intersection à 20 dBm et un ratio d'intermodulation de 40 dB pour un
niveau d'entrée de 0 dBm mais qui ne donne pas le ratio d'intermodulation
attendu du fait que ses caractéristiques d'entrée/sortie ne sont pas
linéaires à ce niveau de signal d'entrée. Si le point de compression était
quelques dB plus haut, le ratio d'intermodulation de 40 dB pourrait être
obtenu. Dans le cas d'un émetteur fonctionnant en classe AB, les
caractéristiques peuvent être différentes, tout particulièrement aux
faibles niveaux d'entrée (Fig. 2).
[pic] FIGURE 2.[Rap.2021-02] 2.2 Bruit d'intermodulation résultant de la continuité du domaine
fréquentiel
Le modèle classique de description du phénomène d'intermodulation dans un
système de radiocommunication analogique fait intervenir deux fréquences
d'entrée et un équipement non linéaire sans mémoire. Cette caractéristique
de non-linéarité peut être décrite par une fonction f(x) de la relation
entre l'entrée et la sortie. On développe généralem