射頻放大器非線性特性的測(cè)量

摘要：本文介紹了如何采用羅德與施瓦茨公司高精度信號(hào)分析儀R&S FSQ和數(shù)字信號(hào)源R&S SMU200A，來(lái)精確測(cè)量射頻放大器在實(shí)際工作情況下的非線性特性，并據(jù)此提出了射頻放大器的數(shù)字預(yù)失真方案。該方案使用免費(fèi)軟件R&S AmpTune，可以為射頻放大器，特別是基站放大器的線性化設(shè)計(jì)和測(cè)試節(jié)省大量的時(shí)間和成本。
關(guān)鍵詞：非線性；線性化；AM/AM；AM/PM；數(shù)字預(yù)失真

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜利用率較高的調(diào)制方式得到了廣泛應(yīng)用，如PSK和QAM調(diào)制。這些調(diào)制信號(hào)的一個(gè)共同特點(diǎn)是信號(hào)功率的平均值和包絡(luò)峰值存在差異，峰均比（即峰值因子Crest Factor）較大，這要求放大器必須具有良好的線性特性，否則非線性影響，如互調(diào)失真，會(huì)導(dǎo)致頻譜再生，進(jìn)而產(chǎn)生鄰道干擾。在設(shè)計(jì)放大器，如WCDMA多載波功率放大器時(shí)，要采用線性化技術(shù)來(lái)補(bǔ)償放大器的非線性，從而提高放大器輸出信號(hào)的頻譜純度，減少鄰道干擾。與此同時(shí)，我們還必須兼顧到放大器的工作效率。

線性化技術(shù)主要分為以下幾類，如圖1所示。在放大器的設(shè)計(jì)中，一般都會(huì)將幾種線性化技術(shù)結(jié)合在一起使用，以達(dá)到最佳的線性化效果。

圖1 線性化技術(shù)分類

數(shù)字預(yù)失真是預(yù)失真技術(shù)的一種，其基本原理如圖2所示。根據(jù)放大器的非線性特性（幅度和相位失真），對(duì)輸入放大器的信號(hào)進(jìn)行相反的失真處理，兩個(gè)非線性失真功能相結(jié)合，就能夠?qū)崿F(xiàn)高度線性、無(wú)失真的系統(tǒng)。在數(shù)字基帶上進(jìn)行預(yù)失真處理就是數(shù)字預(yù)失真；在模擬電路上進(jìn)行預(yù)失真處理就是模擬預(yù)失真。

圖2 數(shù)字預(yù)失真技術(shù)基本原理

數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：工作在數(shù)字基帶上，成本低，適應(yīng)性強(qiáng)，還可以通過(guò)增加采樣率和增大量化階數(shù)來(lái)抵消高階互調(diào)失真，可以使用簡(jiǎn)單高效的AB類放大器，避免前饋技術(shù)帶來(lái)的復(fù)雜性、高成本和高功耗，顯著提高放大器的線性和整體功效。使用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的前提是必須準(zhǔn)確測(cè)量得出放大器的非線性特性，進(jìn)而才能根據(jù)放大器的非線性特性對(duì)輸入的基帶信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理。

但是，由于無(wú)線通信系統(tǒng)的信號(hào)帶寬日益增加，如WCDMA四載波的帶寬已達(dá)20MHz，用傳統(tǒng)的窄帶網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法（如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀），無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出寬帶放大器在實(shí)際工作情況下的非線性特性。因?yàn)橛檬噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量時(shí)輸入放大器的信號(hào)是掃頻信號(hào)，而不是實(shí)際工作中寬帶的復(fù)雜調(diào)制信號(hào)。這就對(duì)放大器的非線性測(cè)試提出了新的要求。

羅德與施瓦茨用實(shí)際信號(hào)測(cè)量放大器的方法使用數(shù)字信號(hào)源R&S SMU200A或R&S SMIQ、R&S AMIQ產(chǎn)生放大器實(shí)際工作中的信號(hào)，可以是寬帶的復(fù)雜調(diào)制信號(hào)，也可以是其他任意信號(hào)；通過(guò)高精度信號(hào)分析儀R&S FSQ或頻譜儀R&S FSU、R&S FSP對(duì)放大后信號(hào)的測(cè)量，來(lái)確定放大器的AM/AM和AM/PM特性，即確定放大器的非線性特性，并據(jù)此提供了對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真的功能。該測(cè)量方法通過(guò)羅德與施瓦茨公司的免費(fèi)測(cè)試軟件R&S AmpTune來(lái)控制儀器進(jìn)行測(cè)量，并處理數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)證可以準(zhǔn)確測(cè)量用于各種通信標(biāo)準(zhǔn)的放大器的非線性特性，并獲得顯著的線性化效果，節(jié)省大量的時(shí)間和成本。

基本測(cè)試原理

放大器的非線性特性一般采用AM/AM和AM/PM表示。AM/AM指的是輸出電平隨輸入電平變化的特性，代表放大器幅度非線性；AM/PM指的是輸入和輸出的相位差隨輸入電平變化的特性，代表放大器相位非線性。應(yīng)該注意到，由于放大器存在記憶效應(yīng)，AM/AM和AM/PM只能近似表征放大器的非線性，而在輸入實(shí)際信號(hào)時(shí)測(cè)得的放大器AM/AM和AM/PM特性能更準(zhǔn)確地反映放大器的包括記憶效應(yīng)導(dǎo)致的非線性在內(nèi)的總體非線性特性。本測(cè)試方法的關(guān)鍵就在于準(zhǔn)確測(cè)量放大器在輸入實(shí)際工作信號(hào)時(shí)的AM/AM和AM/PM特性，并據(jù)此來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真功能。

硬件連接

該測(cè)試方案的硬件連接比較簡(jiǎn)單，以下用數(shù)字信號(hào)源R&S SMU200A和信號(hào)分析儀R&S FSQ作為測(cè)試儀器，測(cè)試架構(gòu)與連線如圖3所示。數(shù)字信號(hào)源R&S SMU200A用于產(chǎn)生任意波形。針對(duì)用于不同通信標(biāo)準(zhǔn)的被測(cè)放大器，如WCDMA、CDMA200０、WLAN等，可以使用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的任意波形（由免費(fèi)軟件R&S WinIQSim編輯標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）來(lái)測(cè)試，也可以產(chǎn)生帶限的噪聲或傳統(tǒng)的雙音信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。信號(hào)分析儀R&S FSQ用于分析經(jīng)放大器放大后的信號(hào)。在安裝了GPIB接口卡的PC上運(yùn)行測(cè)試軟件R&S AmpTune，來(lái)控制測(cè)試儀器并處理數(shù)據(jù)。

圖3 測(cè)試架構(gòu)與連接

為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確度，信號(hào)分析儀使用信號(hào)源的10MHz參考頻率，并使用信號(hào)源輸出的外觸發(fā)信號(hào)。連接放大器時(shí)要注意的是，如果經(jīng)放大后的射頻信號(hào)大于30dBm（即信號(hào)分析儀或頻譜儀的最大允許輸入電平），必須在放大器和信號(hào)分析儀R&S FSQ之間增加衰減器，以保護(hù)信號(hào)分析儀。

測(cè)試軟件R&S AmpTune

測(cè)試軟件R&S AmpTune的界面如圖4所示。從R&S AmpTune的界面上可以清晰地看出信號(hào)的處理過(guò)程：信號(hào)源中的數(shù)字化IQ信號(hào)經(jīng)D/A變換和低通濾波后，進(jìn)行I/Q調(diào)制和上變頻，產(chǎn)生射頻信號(hào)饋入放大器。射頻信號(hào)經(jīng)放大后，輸入到信號(hào)分析儀中，信號(hào)分析儀對(duì)輸入的信號(hào)適當(dāng)衰減后進(jìn)行下變頻得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字下變頻得到數(shù)字ＩＱ信號(hào)。測(cè)試軟件R&S AmpTune通過(guò)比較信號(hào)源產(chǎn)生和信號(hào)分析儀最終所獲得的IQ信號(hào)，即可分析出放大器的AM/AM和AM/PM特性。

圖4 測(cè)試軟件R&S AmpTune

如果在測(cè)試軟件R&S AmpTune中選擇“measurement”，可進(jìn)行AM/AM和AM/PM測(cè)量；如果選擇“measurement + predistortion”，則可以在測(cè)量出AM/AM和AM/PM后馬上對(duì)所使用的任意波形進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真處理，然后直接觀察數(shù)字預(yù)失真的效果。該軟件可以單獨(dú)或同時(shí)進(jìn)行AM/AM（幅度）數(shù)字預(yù)失真和AM/PM（相位）數(shù)字預(yù)失真處理。當(dāng)然，我們也可以根據(jù)測(cè)量出的AM/AM和AM/PM結(jié)果，對(duì)任意信號(hào)進(jìn)行數(shù)字預(yù)失真處理。這為放大器設(shè)計(jì)提供了極大的便利。

測(cè)試過(guò)程

R&S Amptune的測(cè)試過(guò)程可以用一個(gè)簡(jiǎn)化的流程圖來(lái)描述，如圖5所示。在第二步，即“自動(dòng)電平調(diào)整”步驟中，測(cè)試軟件根據(jù)用戶設(shè)置的“Target RMS power value”值，分三次調(diào)整信號(hào)源的輸出功率，最終使放大器輸出端的信號(hào)電平達(dá)到設(shè)定值，其準(zhǔn)確度高達(dá)0.1dB。在第三步，即“測(cè)量”步驟中，“FFT時(shí)間偏置校正”用來(lái)校正使用外觸發(fā)后殘余的時(shí)間偏置。因?yàn)?，外觸發(fā)信號(hào)雖然可以大大提高信號(hào)發(fā)生和測(cè)量的同步性（即時(shí)間相關(guān)性），但外觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)BNC同軸電纜傳輸還是會(huì)有微小的時(shí)間偏置，如果不進(jìn)行校正，仍然會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成嚴(yán)重影響。在預(yù)失真步驟中，我們可以很直觀地觀察到預(yù)失真前后信號(hào)的鄰道功率比(ACPR)的優(yōu)化效果。

圖5 測(cè)試流程圖

測(cè)量結(jié)果的顯示

時(shí)間校正前后的測(cè)量結(jié)果
在上述“測(cè)量”步驟中，測(cè)試軟件會(huì)分別顯示出時(shí)間校正前后的幅度和相位測(cè)量結(jié)果，用戶可以此來(lái)確定時(shí)間校正是否成功，如下圖6和7所示。由此可見(jiàn)時(shí)間校正的重要性。

圖6 時(shí)間校正前的幅度和相位測(cè)量結(jié)果

圖7 時(shí)間校正后的幅度和相位測(cè)量結(jié)果

AM/AM、AM/PM的最終測(cè)量結(jié)果
“測(cè)量”步驟完成后，測(cè)試軟件顯示出AM/AM和AM/PM的最終測(cè)量結(jié)果，如圖8所示。

圖8 AM/AM和AM/PM的最終測(cè)量結(jié)果

數(shù)字預(yù)失真前后的測(cè)量結(jié)果

圖9 數(shù)字預(yù)失真前后的信號(hào)頻譜

由圖9和表1可以明確地觀察出數(shù)字預(yù)失真對(duì)提高鄰道功率比(ACPR)的顯著效果。

結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的深入應(yīng)用，相應(yīng)的數(shù)字預(yù)失真芯片也已經(jīng)投入市場(chǎng)，用這些芯片可以構(gòu)造出能實(shí)時(shí)監(jiān)控輸出射頻信號(hào)、并在基帶上進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)失真調(diào)整的數(shù)字預(yù)失真放大器。由于本文介紹的測(cè)試方法精度更高，因此完全可用于檢測(cè)這類數(shù)字預(yù)失真芯片的預(yù)失真效果。
在放大器的設(shè)計(jì)和測(cè)試工作中，我們可以根據(jù)實(shí)際情況，用其他信號(hào)源，如R&S SMIQ和R&S AMIQ，代替R&S SMU200A；或用其他頻譜儀，如R&S FSU和R&S FSP，代替R&S FSQ，也可以獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果和令人滿意的數(shù)字預(yù)失真效果。
 
參考文獻(xiàn)：
1.Martin Wei_, Check Amplifier Dynamic Behaviour With True Test Signals, Microwaves & RF, December 2000.
2.AmpTune, Software for Measuring Amplifier Nonlinearity in Realistic Conditions, Application Note 1MA27, Rohde & Schwarz.
3.AmpTune 3.0 User Manual, Application Note 1MA27, Rohde & Schwarz.