Hiện nay, để duy trì hiệu suất của hệ thống truyền thông vô tuyến (RF – Radio Frequency) thì các kỹ sư cần đảm bảo tín hiệu sạch, ổn định và không bị nhiễu trong quá trình thiết kế và vận hành. Tuy vậy, việc thực hiện toàn bộ tiêu chí này là một vấn đề vô cùng khó khăn, do hiện tượng nhiễu xuyên điều chế trong thiết bị  thụ động (PIM) thường xảy ra trong các hệ thống RF, đặc biệt là trong môi trường có công suất cao và băng thông rộng. PIM được định nghĩa là một loại nhiễu gây ra bởi các yếu tố thụ động trong quá trình vận hành hệ thống như cáp, cổng kết nối, anten hay các loại vật liệu xung quanh. Việc phát hiện và xử lý hiện tượng này là đặc biệt quan trọng, do nó có thể làm giảm hiệu suất của mạng RF, từ đó gây ra việc mất tín hiệu và suy yếu khả năng truyền thông của cả hệ thống. Bài viết này phân tích nguyên nhân và đưa ra các giải pháp xử lý hiện tượng PIM, nhằm đảm bảo hoạt động cho toàn bộ hệ thống RF.

Hiện tượng xuyên nhiễu điều chế trong thiết bị  thụ động (PIM)

Theo định nghĩa, PIM là hiện tượng xảy ra khi các tín hiệu trong hệ thống RF tương tác với nhau và tạo ra các tín hiệu nhiễu trong những dải tần số khác nhau. Do vậy, các tín hiệu này khi xuất hiện sẽ là các bội số của các tần số cơ bản đang hoạt động trong hệ thống và được gọi là các intermodulation. Các tín hiệu PIM này thường xảy ra trong các thành phần thụ động như cáp đồng trục, cổng kết nối hay trong các vật liệu kim loại có vị trí gần hệ thống RF. Chính điều này đã làm cho việc phát hiện ra các tín hiệu PIM trở nên khó khăn và đưa ra các giải khắc phục cũng không hề dễ dàng do đây không phải lỗi đến từ thiết bị điện tử mà từ các yếu tố vật lý bên trong hệ thống. 

Hiện tượng PIM có các tác động đặc biệt nghiêm trọng đối với các hệ thống RF công suất cao, do nó sẽ gây ra hiện tượng phi tuyến trong các thiết bị thụ động. Việc này không chỉ làm giảm chất lượng của tín hiệu mà còn gây ra hiện tượng nhiễu chéo cho các kênh lân cận, từ đó làm giảm hiệu suất hoạt động của cả hệ thống.

Nguyên nhân xảy ra hiện tượng PIM

Nguyên nhân chính để xảy ra hiện tượng PIM trong hệ thống RF đến từ các thành phần thụ động. Cụ thể các nguyên nhân xảy ra hiện tượng này được phân tích dưới đây:

• Hệ thống có kết nối kém chất lượng: Đây được xem là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra hiện tượng PIM. Thông thường, hiện tượng phi tuyến dẫn đến PIM sẽ xuất phát từ các kết nối không chặt chẽ hoặc bị ăn mòn sẽ tạo ra các điểm tiếp xúc không đồng nhất.
• Hiện tượng ăn mòn và oxy hóa: Hiện tượng PIM sẽ xảy ra khi kim loại bị oxy hóa trên bề mặt dẫn đến việc tạo ra các tiếp tiếp xúc không đồng nhất.
• Vật liệu không đồng nhất: Cấu trúc của một một số vật liệu kim loại không đồng đều có thể gây ra hiện tượng phi tuyến, từ đó sẽ xảy ra hiện tượng PIM.
• Các tác động cơ học: Các sự rung động, biến đổi nhiệt độ và biến dạng cơ học của các thành phần thụ động trong hệ thống sẽ dẫn đến các thay đổi trong cấu trúc vật liệu, từ đó gây ra hiện tượng PIM.

Các tác động của PIM trong hệ thống RF

Trong vận hành thực tế, PIM sẽ tạo ra các tác động tiêu cực đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống RF như nhiễu tín hiệu và các lỗi truyền thông. Việc xảy ra hiện tượng PIM trong các mạng di động cũng sẽ làm giảm hiệu suất của trạm gốc, đồng thời gây ra hiện tượng mất tín hiệu tạm thời và làm giảm vùng phủ sóng của nhà mạng. Các tác động tiêu cực này ảnh hưởng khá lớn đến trải nghiệm của người dùng và tăng chi phí vận hành trong việc bổ sung tài nguyên để bù đắp cho các tổn hao tín hiệu. Bên cạnh đó, các thiết bị sẽ phải tự động tăng hiệu suất làm việc để xử lý tín hiệu nhiễu trong suốt khoảng thời gian xảy ra hiện tượng PIM. Quá trình này kéo dài trong khoảng thời gian lớn không chỉ làm giảm tuổi thọ của các thiết bị mà còn tăng chi phí bảo trì cho chính nó.

Giải pháp để khắc phục hiện tượng PIM

Hiện nay, các ký sư sẽ phải áp dụng các biện pháp toàn diện từ khâu chọn vật liệu, thiết kế và bảo trì cho thiết bị để giảm nguy cơ xảy ra hiện tượng PIM. Trong đó, việc sử dụng các thành phần thụ động có chất lượng cao với độ phi tuyến thấp đang được xem là một trong những giải pháp hiệu quả nhất. Bên cạnh đó, các kỹ thuật kết nối cũng cần được thao tác chặt chẽ, sử dụng đầu nối RF chất lượng và được bảo vệ khỏi môi trường bên ngoài để giảm thiểu hiện tượng PIM. Để ngăn chặn hiện tượng PIM xảy ra dễ dàng, các kỹ sư cũng cần kiểm tra hệ thống định kỳ để phát hiện và xử lý các mối nối kém hay các thành phần bị ăn mòn. Ngoài ra, sự kết hợp giữa việc phòng ngừa và kết hợp xử dụng cùng thiết bị đo PIM sẽ giúp xác định được nguồn gốc nhiễu và đưa ra các giải pháp xử lý một cách nhanh chóng.

Kiểm soát xảy ra hiện tượng PIM

Ngày nay, việc kiểm soát hiện tượng PIM được xem là một vấn đề quan trọng hàng đầu trong một xã hội phát triển toàn diện về các mạng truyền thông không dây do các hệ thống này cần có độ chính xác cao và khả năng xử lý tín hiệu tốt.  Sự phát triển của một số các công nghệ mới như vật liệu nano, trí tuệ nhân tạo sẽ là các công cụ tuyệt vời phục vụ quá trình tối ưu hóa hệ thống RF và giảm hiện tượng PIM. Nói một cách tổng quan, để nâng cao chất lượng truyền thông và giảm chi phí vận hành thì các kỹ sư thiết kế phải thực hiện đồng thời việc cải thiện hiệu suất của hệ thống RF và nâng cao chất lượng truyền thông. Đây cũng là một yếu tố có vai trò then chốt trong quá trình đảm bảo sự phát triển bền vững trong các mạng truyền thông hiện đại.

Kết luận

Đối với các kỹ sư thiết kế, hiện tượng PIM được xem là một thách thức lớn trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống. Ngày nay, các nhà nghiên cứu đã xác định được nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng PIM rồi từ đó đưa ra các giải pháp để giảm tác động của nó lên toàn hệ thống.