[ RF Theorem ] RF Intermodulation [ RF 혼변조 왜곡 ] (Harmonic, IM3)

 

 

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안녕하세요, 오늘은 RF 시스템에서 자주 언급되는 혼변조 왜곡(Intermodulation Distortion, IMD)에 대해 알아보겠습니다. 혼변조 왜곡은 여러 주파수 신호가 동시에 비선형 장치를 통과할 때 발생하는 비선형 왜곡 현상입니다. 이로 인해 원래 신호 주파수 외에 새로운 주파수 성분들이 생성되며, 이는 통신 시스템의 성능을 저하시킬 수 있습니다.

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※1. 혼변조 왜곡이란? 

  혼변조 왜곡은 RF 시스템에서 비선형 장치를 통과하는 여러 주파수 신호가 상호작용하여 새로운 주파수 성분을 생성하는 현상입니다. 이러한 새로운 주파수 성분은 원래 신호 주파수의 합이나 차로 나타납니다.

예를 들어, 두 개의 주파수 f1f_1f1​과 f2f_2f2​가 있을 때, 비선형 장치에서는 f1f_1f1​과 f2f_2f2​뿐만 아니라 2f1,2f2,f1+f2,f1−f22f_1, 2f_2, f_1+f_2, f_1-f_22f1​,2f2​,f1​+f2​,f1​−f2​ 등 다양한 주파수 성분들이 나타날 수 있습니다.

혼변조 왜곡은 통신 시스템의 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 저하시켜 시스템의 성능을 저하시킵니다. 이는 데이터 전송률을 낮추고, 오류율을 증가시키며, 특히 다른 채널의 주파수 대역에 걸쳐 나타날 때 상호 간섭을 일으켜 시스템 전반에 악영향을 미칠 수 있습니다.

 

 

 

※2. 왜곡이 발생하는 과정

▶1. 비선형 신호 처리

혼변조 왜곡은 장치의 비선형 특성 때문에 발생합니다. 비선형 장치의 출력은 입력 신호의 여러 차수의 항(예: 2차, 3차, 5차 등)으로 나타날 수 있습니다. 이들 차수 항들이 원래 신호 주파수들과 섞여 새로운 주파수 성분을 생성합니다. 

 

 

▶2. Harmonic 성분 발생 (IMD; Intermodulation Distortion [혼변조 왜곡] )

  두 개의 주파수 f1f_1f1​와 f2f_2f2​가 있을 때, 비선형 장치에서는 f1f_1f1​과 f2f_2f2​뿐만 아니라 2f1,2f2,f1+f2,f1−f2,3f1,3f22f_1, 2f_2, f_1+f_2, f_1-f_2, 3f_1, 3f_22f1​,2f2​,f1​+f2​,f1​−f2​,3f1​,3f2​ 등 다양한 새로운 주파수 성분들이 나타날 수 있습니다.

 

 

 

▶3. Harmonic 성분을 Filter로 제거

    혼변조 성분은 차수로 구분할 수 있습니다. 예를 들어, 두 신호 f1f_1f1​과 f2f_2f2​가 있을 때, 2차 IMD 성분은 2f12f_12f1​, 2f22f_22f2​, f1+f2f_1+f_2f1​+f2​, f1−f2f_1-f_2f1​−f2​로 나타날 수 있으며, 3차 IMD 성분은 2f1+f22f_1+f_22f1​+f2​, 2f2+f12f_2+f_12f2​+f1​, 2f1−f22f_1-f_22f1​−f2​, 2f2−f12f_2-f_12f2​−f1​ 등으로 나타납니다.

Harmonic 성분이 발생한다 할지라도 필터(Filter)를 통해 제거하면 그만입니다. 하지만 모든 필터는 완벽하게 원하는 주파수 대역만 제거하는 것이 불가능하기에 제거하지 않는 신호(원신호, Fundamental) 근처에 존재하는 Harmonic 성분은 제거되지 않습니다.

 

 

▶4. Fundamental Frequency 근처에 존재하는 3rd IMD(=IM3)의 제거는 어려움

  이런 Harmonic 성분은 3 Order IMD (3차 IMD)라고 합니다. 3차 IMD는 제거해야 할 요소이지만 제거가 어렵기에 골치아픈 존재입니다.

 

 

 

혼변조 왜곡은 RF 설계에서 중요한 고려 사항이며, 이를 효과적으로 관리하고 최소화하는 것은 고품질 통신 시스템을 구축하는 데 필수적입니다.

 

 

이상으로 RF에서 발생하는 혼변조 왜곡에 대한 내용을 마치겠습니다. 감사합니다.

 

 

인용: RFDH