射頻放大器非線性特性的測量

名稱:射頻放大器非線性特性的測量
隨著無線通信技術的飛速發展，頻譜利用率較高的調製方式得到了廣泛應用，如PSK和QAM調製。這些調製信號的一個共同特點是信號功率的平均值和包絡峰值存在差異，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，如互調失真，會導致頻譜再生，進而產生鄰道干擾。在設計放大器，如WCDMA多載波功率放大器時，要採用線性化技術來補償放大器的非線性，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，我們還必須兼顧到放大器的工作效率。
線性化技術主要分為以下幾類，如圖1所示。在放大器的設計中，一般都會將幾種線性化技術結合在一起使用，以達到最佳的線性化效果。
圖1線性化技術分類
數字預失真是預失真技術的一種，其基本原理如圖2所示。根據放大器的非線性特性（幅度和相位失真），對輸入放大器的信號進行相反的失真處理，兩個非線性失真功能相結合，就能夠實現高度線性、無失真的系統。在數字基帶上進行預失真處理就是數字預失真；在模擬電路上進行預失真處理就是模擬預失真。
圖2數字預失真技術基本原理
數字預失真技術的優勢在於：工作在數字基帶上，成本低，適應性強，還可以通過增加採樣率和增大量化階數來抵消高階互調失真，可以使用簡單高效的AB類放大器，避免前饋技術帶來的複雜性、高成本和高功耗，顯著提高放大器的線性和整體功效。使用數字預失真技術的前提是必須準確測量得出放大器的非線性特性，進而才能根據放大器的非線性特性對輸入的基帶信號進行預失真處理。
但是，由於無線通信系統的信號帶寬日益增加，如WCDMA四載波的帶寬已達20MHz，用傳統的窄帶網路測量方法（如矢量網路分析儀），無法準確測量出寬頻放大器在實際工作情況下的非線性特性。因為用矢量網路分析儀測量時輸入放大器的信號是掃頻信號，而不是實際工作中寬頻的複雜調製信號。這就對放大器的非線性測試提出了新的要求。
羅德與施瓦茨用實際信號測量放大器的方法使用數字信號源RS SMU200A或RS SMIQ、RS AMIQ產生放大器實際工作中的信號，可以是寬頻的複雜調製信號，也可以是其他任意信號；通過高精度信號分析儀RS FSQ或頻譜儀RS FSU、RS FSP對放大后信號的測量，來確定放大器的AM/AM和AM/PM特性，即確定放大器的非線性特性，並據此提供了對測試信號進行數字預失真的功能。該測量方法通過羅德與施瓦茨公司的免費測試軟體RS AmpTune來控制儀器進行測量，並處理數據，經驗證可以準確測量用於各種通信標準的放大器的非線性特性，並獲得顯著的線性化效果，節省大量的時間和成本。
基本測試原理
放大器的非線性特性一般採用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。應該注意到，由於放大器存在記憶效應，AM/AM和AM/PM只能近似表徵放大器的非線性，而在輸入實際信號時測得的放大器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性在內的總體非線性特性。本測試方法的關鍵就在於準確測量放大器在輸入實際工作信號時的AM/AM和AM/PM特性，並據此來實現數字預失真功能。
硬體連接
該測試方案的硬體連接比較簡單，以下用數字信號源RS SMU200A和信號分析儀RS FSQ作為測試儀器，測試架構與連線如圖3所示。數字信號源RS SMU200A用於產生任意波形。針對用於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（由免費軟體RS WinIQSim編輯標準信號）來測試，也可以產生帶限的雜訊或傳統的雙音信號來進行測試。信號分析儀RS FSQ用於分析經放大器放大后的信號。在安裝了GPIB介面卡的PC上運行測試軟體RS AmpTune，來控制測試儀器並處理數據。
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，並使用信號源輸出的外觸發信號。連接放大器時要注意的是，如果經放大后的射頻信號大於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RS FSQ之間增加衰減器，以保護信號分析儀。
測試軟體RS AmpTune
測試軟體RS AmpTune的界面如圖4所示。從RS AmpTune的界面上可以清晰地看出信號的處理過程：信號源中的數字化IQ信號經D/A變換和低通濾波后，進行I/Q調製和上變頻，產生射頻信號饋入放大器。射頻信號經放大后，輸入到信號分析儀中，信號分析儀對輸入的信號適當衰減後進行下變頻得到中頻信號，中頻信號經數字下變頻得到數字ＩＱ信號。測試軟體RS AmpTune通過比較信號源產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測試軟體RS AmpTune
如果在測試軟體RS AmpTune中選擇「measurement」，可進行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行數字預失真處理，然後直接觀察數字預失真的效果。該軟體可以單獨或同時進行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。
測試過程
RS Amptune的測試過程可以用一個簡化的流程圖來描述，如圖5所示。在第二步，即「自動電平調整」步驟中，測試軟體根據用戶設置的「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時間偏置校正」用來校正使用外觸發后殘餘的時間偏置。因為，外觸發信號雖然可以大大提高信號發生和測量的同步性（即時間相關性），但外觸發信號經過BNC同軸電纜傳輸還是會有微小的時間偏置，如果不進行校正，仍然會對測量結果造成嚴重影響。在預失真步驟中，我們可以很直觀地觀察到預失真前後信號的鄰道功率比(ACPR)的優化效果。
圖5測試流程圖
測量結果的顯示
時間校正前後的測量結果
在上述「測量」步驟中，測試軟體會分別顯示出時間校正前後的幅度和相位測量結果，用戶可以此來確定時間校正是否成功，如下圖6和7所示。由此可見時間校正的重要性。
圖6時間校正前的幅度和相位測量結果
圖7時間校正後的幅度和相位測量結果
AM/AM、AM/PM的最終測量結果
「測量」步驟完成後，測試軟體顯示出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
數字預失真前後的測量結果
圖9數字預失真前後的信號頻譜
由圖9和表1可以明確地觀察出數字預失真對提高鄰道功率比(ACPR)的顯著效果。
結語
隨著數字預失真技術的深入應用，相應的數字預失真晶元也已經投入市場，用這些晶元可以構造出能實時*輸出射頻信號、並在基帶上進行動態預失真調整的數字預失真放大器。由於本文介紹的測試方法精度更高，因此完全可用於檢測這類數字預失真晶元的預失真效果。
在放大器的設計和測試工作中，我們可以根據實際情況，用其他信號源，如RS SMIQ和RS AMIQ，代替RS SMU200A；或用其他頻譜儀，如RS FSU和RS FSP，代替RS FSQ，也可以獲得準確的測試結果和令人滿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.