Intermodulation 3. Ordnung / Kanalplans

Was ist ein Intermodulationsproblem?

Intermodulation ist ein Phänomen, bei dem Störsignale (Intermodulationsprodukte) im Empfänger auftreten während das Nutzsignal empfangen wird. Das ist auf die nichtlineare Natur der verwendeten Komponenten zurückzuführen. Die meisten Intermodulationsprodukte können zwar herausgefiltert werden, aber es kommt zu Problemen, wenn sie im Band auftreten. In solchen Fällen wäre es unmöglich, diese Intermodulationsprodukte herauszufiltern.
In einem Mehrkanal-Funksystem können Probleme auftreten, wenn die Intermodulationsprodukte auf den gewünschten Kanal fallen, so dass der Empfänger Schwierigkeiten hat, Signale auf diesem Kanal zu empfangen. Daher ist es notwendig, einen sorgfältigen Kanalplan zu erstellen, um solche Störungen zu vermeiden.

Wie sehr sollte ich mir wegen des Intermodulationsproblems Gedanken machen?

Wenn Ihre Applikation aus mehreren Sendern und Empfängern besteht, die nahe beieinander liegen und zusammen im selben Bereich arbeiten, empfehlen wir Ihnen, diesen Artikel zu lesen und einen Kanalplan wie unten beschrieben zu erstellen. Wenn ein Kanalplan erforderlich ist, wird die Anzahl der nutzbaren Kanäle viel geringer sein als die der angebotenen Kanäle.

Intermodulation 2. Ordnung

Eine Art von unerwünschten Signalen sind die Oberwellen. Das sind ganze Vielfache der Grundfrequenz f wie z. B. 2f, 3f, 4f usw. Normalerweise ist das kein Problem, da die Amplitude diese Oberwellen bei höheren Frequenzen allmählich abnimmt. Eine andere Art von unerwünschten Signalen ist die Summe und Differenz zweier Eingangsfrequenzen, f1 und f2 (f1 und f2 sind bekannt als Intermodulationsprodukte 1. Ordnung). Diese beiden Frequenzen mischen sich und ergeben f1 + f2 und f2 – f1. Die Frequenzen 2f1, 2f2, f1 + f2 und f2 – f1 werden als Intermodulationsprodukte 2. Ordnung bezeichnet.

Intermodulation 3. Ordnung

Bisher haben wir uns mit Intermodulationsprodukten 1. und 2. Ordnung beschäftigt. Aber damit ist es leider nicht getan. Wenn wir die Produkte 2. Ordnung 2f1 und 2f2 nehmen und sie mit den Produkten 1. Ordnung f1 und f2 mischen, erhalten wir neue Frequenzen. 2 davon sind:

• 2f1 – f2
• 2f2 – f1

Diese sind bekannt als Intermodulationsprodukte 3. Ordnung. Produkte 3. Ordnung sind am problematischsten, da sie in der Nähe der Eingabefrequenzen f1 und f2 (in grau dargestellt) auftreten und nicht herausgefiltert werden können.

Wenn die Frequenzen f1 und f2 Kommunikationskanälen entsprechen, dann sind die von den Produkten dritter Ordnung belegten Kanäle für die normale Kommunikation nicht verfügbar (sie würden die tatsächlichen Signale auf diesen Kanälen stören). Wenn z. B. im obigen Diagramm CH01 und CH02 die Eingangsfrequenzen sind, können die Kanäle CH00 und CH03 nicht verwendet werden.

Demonstration von Intermodulation 3. Ordnung

Wir können einen Spektrumanalysator verwenden, um die Intermodulation dritter Ordnung zu zeigen. Das nachstehende Bild des Spektrumanalysators zeigt Signale auf den Kanälen 2 und 3, 863,2500 MHz und 863,3750 MHz (“Center Peaks”), die von zwei Audiosendemodulen WA-TX-03S von Circuit Design ausgesendet werden.

Wir sehen die 2 zusätzlichen Frequenzen (Produkte 3. Ordnung), die bei etwa 863,1250 MHz (Kanal 1) und 863,5000 MHz (Kanal 4) auftreten. Grund dafür ist der geringe Abstand zwischen den Sendern, wodurch sich deren Signale gegenseitig stören.

Ein ähnliches Ergebnis erhalten wir auch, wenn die Sender zu nahe am Empfänger stehen. In beiden Fällen liegen diese unerwünschten Signale auf den Nachbarkanälen, so dass sie von anderen Empfängern nicht genutzt werden sollten.

Berechnungstool zur Vermeidung des Problems der Intermodulation 3. Ordnung

Circuit Design bietet unter https://circuitdesign.de/technical_tools/channel-planning/ein Tool an, das berechnet, wann die Intermodulation 3. Ordnung auftreten wird. Es kann dem Anwender sagen, welche Kanäle er nutzen kann und welche nicht.

Erstellen eines Kanalplans

1. Nachdem die Kanaltabelle erstellt wurde, können wir einige Kanäle auswählen, mit denen wir beginnen wollen (in grün). Wenn ein Kanaleintrag gelb wird, bedeutet dies, dass dieser Kanal nicht verwendet werden kann.
   

   Auswahl der Kanäle in grün. Gelb bedeutet “verbotener Kanal”

2. Wenn ein verbotener Kanal ausgewählt wird, werden Känale mit einer Störung durch Intermodulation 3. Ordnung in rot angezeigt. Indem man dies vermeidet, kann man einen Kanalplan erstellen, ohne dass eine Intermodulation 3. Ordnung auftritt.
   

   Rot bedeutet, dass eine Störung durch Intermodulation 3. Ordnung auf diesen Kanälen auftritt.

Fazit

Wir können die Punkte zur Intermodulation 3. Ordnung so zusammenfassen:

1. Die Intermodulation 3. Ordnung sollte berücksichtigt werden, wenn mehrere Kanäle gleichzeitig im selben Bereich genutzt werden.
2. Der Anwender kann Kanäle nicht einfach zufällig festlegen.
3. Es kann nicht jeder Kanal verwendet werden (die Anzahl der nutzbaren Kanäle wird viel geringer sein als das Funkmodul bietet). Zum Beispiel erlaubt das Tool zum Erstellen eines Kanalplans für unser 2,4 GHz Modul STD-503 die Nutzung von 9 aus 77 Kanälen.
   

   Kanalplan für das 2,4 GHz Transceivermodul von Circuit Design

   Das Berechnungstool beschreibt jedoch das Worst-Case-Szenario, wenn Intermodulation 3. Ordnung vollständig vermieden werden soll. In der Praxis und unter Berücksichtigung des Nah-Fern-Phänomens können die Auswirkungen der Intermodulation 3. Ordnung vernachlässigt werden, wenn Sender und Empfänger in angemessenem Abstand zueinander angeordnet sind. Um Störungen zu verhindern, sollte man zum Beispiel darauf achten, dass sich die Empfänger nicht im Empfangsbereich mehrerer Sender befinden. Es empfiehlt sich auch, den Abstand zwischen den Kanälen so weit wie möglich zu vergrößern.