RF放大器非線性測量技術

隨著無線通信技術的飛速發(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(chǎn)生鄰道干擾。在設計放大器，如WCDMA多載波功率放大器時，要采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(shù)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(jù)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(xiàn)高度線性、無失真的系統(tǒng)。在數(shù)字基帶上進行預失真處理就是數(shù)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(shù)字預失真技術基本原理

數(shù)字預失真技術的優(yōu)勢在于：工作在數(shù)字基帶上，成本低，適應性強，還可以通過增加采樣率和增大量化階數(shù)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復雜性、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(jù)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，由于無線通信系統(tǒng)的信號帶寬日益增加，如WCDMA四載波的帶寬已達20MHz，用傳統(tǒng)的窄帶網(wǎng)絡測量方法（如矢量網(wǎng)絡分析儀），無法準確測量出寬帶放大器在實際工作情況下的非線性特性。因為用矢量網(wǎng)絡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帶的復雜調制信號。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(shù)字信號源RS SMU200A或RS SMIQ、RS AMIQ產(chǎn)生放大器實際工作中的信號，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，并據(jù)此提供了對測試信號進行數(shù)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件RS AmpTune來控制儀器進行測量，并處理數(shù)據(jù)，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性特性，并獲得顯著的線性化效果，節(jié)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于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，并據(jù)此來實現(xiàn)數(shù)字預失真功能。

硬件連接

該測試方案的硬件連接比較簡單，以下用數(shù)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(shù)字信號源RS 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RS WinIQSim編輯標準信號）來測試，也可以產(chǎn)生帶限的噪聲或傳統(tǒng)的雙音信號來進行測試。信號分析儀RS 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RS AmpTune，來控制測試儀器并處理數(shù)據(jù)。

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RS FSQ之間增加衰減器，以保護信號分析儀。

測試軟件RS AmpTune

測試軟件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(shù)字化IQ信號經(jīng)D/A變換和低通濾波后，進行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行下變頻得到中頻信號，中頻信號經(jīng)數(shù)字下變頻得到數(shù)字ＩＱ信號。測試軟件RS AmpTune通過比較信號源產(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RS AmpTune

如果在測試軟件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(shù)字預失真處理，然后直接觀察數(shù)字預失真的效果。該軟件可以單獨或同時進行AM/AM（幅度）數(shù)字預失真和AM/PM（相位）數(shù)字預失真處理。當然，我們也可以根據(jù)測量出的AM/AM和AM/PM結果，對任意信號進行數(shù)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，測試軟件根據(jù)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(fā)后殘余的時間偏置。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（即時間相關性），但外觸發(fā)信號經(jīng)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

時間校正前后的測量結果

在上述“測量”步驟中，測試軟件會分別顯示出時間校正前后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(shù)字預失真前后的測量結果

圖9 數(shù)字預失真前后的信號頻譜

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

結語

隨著數(shù)字預失真技術的深入應用，相應的數(shù)字預失真芯片也已經(jīng)投入市場，用這些芯片可以構造出能實時監(jiān)控輸出射頻信號、并在基帶上進行動態(tài)預失真調整的數(shù)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數(shù)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(jù)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(shù)字預失真效果。