射頻放大器非線(xiàn)性特性的測量

摘要：本文介紹了如何采用羅德與施瓦茨公司高精度信號分析儀R&S FSQ和數字信號源R&S SMU200A，來(lái)精確測量射頻放大器在實(shí)際工作情況下的非線(xiàn)性特性，并據此提出了射頻放大器的數字預失真方案。該方案使用免費軟件R&S AmpTune，可以為射頻放大器，特別是基站放大器的線(xiàn)性化設計和測試節省大量的時(shí)間和成本。
關(guān)鍵詞：非線(xiàn)性；線(xiàn)性化；AM/AM；AM/PM；數字預失真

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜利用率較高的調制方式得到了廣泛應用，如PSK和QAM調制。這些調制信號的一個(gè)共同特點(diǎn)是信號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(xiàn)性特性，否則非線(xiàn)性影響，如互調失真，會(huì )導致頻譜再生，進(jìn)而產(chǎn)生鄰道干擾。在設計放大器，如WCDMA多載波功率放大器時(shí)，要采用線(xiàn)性化技術(shù)來(lái)補償放大器的非線(xiàn)性，從而提高放大器輸出信號的頻譜純度，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(xiàn)性化技術(shù)主要分為以下幾類(lèi)，如圖1所示。在放大器的設計中，一般都會(huì )將幾種線(xiàn)性化技術(shù)結合在一起使用，以達到最佳的線(xiàn)性化效果。

圖1 線(xiàn)性化技術(shù)分類(lèi)

數字預失真是預失真技術(shù)的一種，其基本原理如圖2所示。根據放大器的非線(xiàn)性特性（幅度和相位失真），對輸入放大器的信號進(jìn)行相反的失真處理，兩個(gè)非線(xiàn)性失真功能相結合，就能夠實(shí)現高度線(xiàn)性、無(wú)失真的系統。在數字基帶上進(jìn)行預失真處理就是數字預失真；在模擬電路上進(jìn)行預失真處理就是模擬預失真。

圖2 數字預失真技術(shù)基本原理

數字預失真技術(shù)的優(yōu)勢在于：工作在數字基帶上，成本低，適應性強，還可以通過(guò)增加采樣率和增大量化階數來(lái)抵消高階互調失真，可以使用簡(jiǎn)單高效的AB類(lèi)放大器，避免前饋技術(shù)帶來(lái)的復雜性、高成本和高功耗，顯著(zhù)提高放大器的線(xiàn)性和整體功效。使用數字預失真技術(shù)的前提是必須準確測量得出放大器的非線(xiàn)性特性，進(jìn)而才能根據放大器的非線(xiàn)性特性對輸入的基帶信號進(jìn)行預失真處理。

但是，由于無(wú)線(xiàn)通信系統的信號帶寬日益增加，如WCDMA四載波的帶寬已達20MHz，用傳統的窄帶網(wǎng)絡(luò )測量方法（如矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀），無(wú)法準確測量出寬帶放大器在實(shí)際工作情況下的非線(xiàn)性特性。因為用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測量時(shí)輸入放大器的信號是掃頻信號，而不是實(shí)際工作中寬帶的復雜調制信號。這就對放大器的非線(xiàn)性測試提出了新的要求。

羅德與施瓦茨用實(shí)際信號測量放大器的方法使用數字信號源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，可以是寬帶的復雜調制信號，也可以是其他任意信號；通過(guò)高精度信號分析儀R&S FSQ或頻譜儀R&S FSU、R&S FSP對放大后信號的測量，來(lái)確定放大器的AM/AM和AM/PM特性，即確定放大器的非線(xiàn)性特性，并據此提供了對測試信號進(jìn)行數字預失真的功能。該測量方法通過(guò)羅德與施瓦茨公司的免費測試軟件R&S AmpTune來(lái)控制儀器進(jìn)行測量，并處理數據，經(jīng)驗證可以準確測量用于各種通信標準的放大器的非線(xiàn)性特性，并獲得顯著(zhù)的線(xiàn)性化效果，節省大量的時(shí)間和成本。

基本測試原理

放大器的非線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性。應該注意到，由于放大器存在記憶效應，AM/AM和AM/PM只能近似表征放大器的非線(xiàn)性，而在輸入實(shí)際信號時(shí)測得的放大器AM/AM和AM/PM特性能更準確地反映放大器的包括記憶效應導致的非線(xiàn)性在內的總體非線(xiàn)性特性。本測試方法的關(guān)鍵就在于準確測量放大器在輸入實(shí)際工作信號時(shí)的AM/AM和AM/PM特性，并據此來(lái)實(shí)現數字預失真功能。

硬件連接

該測試方案的硬件連接比較簡(jiǎn)單，以下用數字信號源R&S SMU200A和信號分析儀R&S FSQ作為測試儀器，測試架構與連線(xiàn)如圖3所示。數字信號源R&S SMU200A用于產(chǎn)生任意波形。針對用于不同通信標準的被測放大器，如WCDMA、CDMA200０、WLAN等，可以使用相應標準的任意波形（由免費軟件R&S WinIQSim編輯標準信號）來(lái)測試，也可以產(chǎn)生帶限的噪聲或傳統的雙音信號來(lái)進(jìn)行測試。信號分析儀R&S FSQ用于分析經(jīng)放大器放大后的信號。在安裝了GPIB接口卡的PC上運行測試軟件R&S AmpTune，來(lái)控制測試儀器并處理數據。

圖3 測試架構與連接

為了保證測量的準確度，信號分析儀使用信號源的10MHz參考頻率，并使用信號源輸出的外觸發(fā)信號。連接放大器時(shí)要注意的是，如果經(jīng)放大后的射頻信號大于30dBm（即信號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分析儀R&S FSQ之間增加衰減器，以保護信號分析儀。

測試軟件R&S AmpTune

測試軟件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的處理過(guò)程：信號源中的數字化IQ信號經(jīng)D/A變換和低通濾波后，進(jìn)行I/Q調制和上變頻，產(chǎn)生射頻信號饋入放大器。射頻信號經(jīng)放大后，輸入到信號分析儀中，信號分析儀對輸入的信號適當衰減后進(jìn)行下變頻得到中頻信號，中頻信號經(jīng)數字下變頻得到數字ＩＱ信號。測試軟件R&S AmpTune通過(guò)比較信號源產(chǎn)生和信號分析儀最終所獲得的IQ信號，即可分析出放大器的AM/AM和AM/PM特性。

圖4 測試軟件R&S AmpTune

如果在測試軟件R&S AmpTune中選擇“measurement”，可進(jìn)行AM/AM和AM/PM測量；如果選擇“measurement + predistortion”，則可以在測量出AM/AM和AM/PM后馬上對所使用的任意波形進(jìn)行數字預失真處理，然后直接觀(guān)察數字預失真的效果。該軟件可以單獨或同時(shí)進(jìn)行AM/AM（幅度）數字預失真和AM/PM（相位）數字預失真處理。當然，我們也可以根據測量出的AM/AM和AM/PM結果，對任意信號進(jìn)行數字預失真處理。這為放大器設計提供了極大的便利。

測試過(guò)程

R&S Amptune的測試過(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)電平調整”步驟中，測試軟件根據用戶(hù)設置的“Target RMS power value”值，分三次調整信號源的輸出功率，最終使放大器輸出端的信號電平達到設定值，其準確度高達0.1dB。在第三步，即“測量”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。因為，外觸發(fā)信號雖然可以大大提高信號發(fā)生和測量的同步性（即時(shí)間相關(guān)性），但外觸發(fā)信號經(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 )對測量結果造成嚴重影響。在預失真步驟中，我們可以很直觀(guān)地觀(guān)察到預失真前后信號的鄰道功率比(ACPR)的優(yōu)化效果。

圖5 測試流程圖

測量結果的顯示

時(shí)間校正前后的測量結果
在上述“測量”步驟中，測試軟件會(huì )分別顯示出時(shí)間校正前后的幅度和相位測量結果，用戶(hù)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量結果

圖7 時(shí)間校正后的幅度和相位測量結果

AM/AM、AM/PM的最終測量結果
“測量”步驟完成后，測試軟件顯示出AM/AM和AM/PM的最終測量結果，如圖8所示。

圖8 AM/AM和AM/PM的最終測量結果

數字預失真前后的測量結果

圖9 數字預失真前后的信號頻譜

由圖9和表1可以明確地觀(guān)察出數字預失真對提高鄰道功率比(ACPR)的顯著(zhù)效果。

結語(yǔ)

隨著(zhù)數字預失真技術(shù)的深入應用，相應的數字預失真芯片也已經(jīng)投入市場(chǎng)，用這些芯片可以構造出能實(shí)時(shí)監控輸出射頻信號、并在基帶上進(jìn)行動(dòng)態(tài)預失真調整的數字預失真放大器。由于本文介紹的測試方法精度更高，因此完全可用于檢測這類(lèi)數字預失真芯片的預失真效果。
在放大器的設計和測試工作中，我們可以根據實(shí)際情況，用其他信號源，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，也可以獲得準確的測試結果和令人滿(mǎn)意的數字預失真效果。
 
參考文獻：
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.