功率放大器线性指标分析

功放放大器线性相关知识概述

信号在通过射频通道（这里所谓的射频通道是指射频收发信机通道，不包括空间段衰落信道）时会有一定程度的失真，失真可以分为线性失真和非线性失真。产生线性失真的主要有一些滤波器等无源器件，产生非线性失真的主要有一些放大器、混频器等有源器件。另外射频通道还会有一些加性噪声和乘性噪声的引入。

1.功率放大器作为基站、直放站中的主要核心模块，对整个系统的通信质量起着至关重要的作用，而功放的线性指标，则是功放设计的基础和核心。下面先介绍一下一些与线性相关的基本知识。（1）信号的峰值功率、平均功率和峰均比PAR

很多信号从时域观测并不是恒定包络，而是如下面图形所示。峰值功率即是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率。通常概率取为0.01%。

峰值功率即是指以某种概率出现的肩峰的瞬态功率。通常概率取为0.01%。平均功率是系统输出的实际功率。在某个概率下峰值功率跟平均功率的比就称为在某个概率下的峰均比，如PAR=9.1@0.1%,各种概率下的峰均比就形成了CCDF曲线（互补累积分布函数）。在概率为0.01%处的PAR，一般称为CREST因子。

功率放大器在设计的过程中，其线性指标和峰均比关系很大，

（2）线性失真

线性失真又可以分成线性幅度失真和线性相位失真，从频域可以很方便表示这些失真，如下图：

（3）非线性失真

非线性失真与线性失真相似，可以分成非线性幅度失真和非线性相位失真，图形表示如下：

（4）非线性幅度失真

非线性幅度失真常用1dB压缩点、三阶交调、三阶截止点等指标衡量，下面分别讨论这三个指标。

例如一个射频放大器，当输入信号较小时，其输出与输入可以保证线关系，输入电平增加1dB，输出相应增加1dB，增益保持不变，随着输入信号电平的增加，输入电平增加1dB，输出将增加不到1dB，增益开始压缩，增益压缩1dB时的输入信号电平称为输入1dB压缩点，这时输出信号电平称为输出1dB压缩点。如下图：

（3）三阶交调

三阶交调（双音三阶交调）是用来衡量非线性的一个重要指标，在这里仍以放大器为例来说明三阶交调指标。用两个相隔⊿f，且电平相等的单音信号同时输入一个射频放大器，则放大器的输出频谱大致如下：

三阶交调常用dBc表示，即交调产物与主输出信号的比。

（4）三阶截止点

任一微波单元电路，输入双音信号同时增加1dB，输出三阶交调产物将增加3dB，而主输出信号仅增加1dB（不考虑压缩），这样输入信号电平增加到一定值时，输出三阶交调产物与主输出信号相等，这一点称为三阶截止点，对应的输入信号电平称为输入三阶截止点，对应的输出信号电平称为输出三阶截止点。注意：三阶截止点信号电平是不可能达到的，因为在这时早已超过微波单元电路的承受能力。

（5）邻道泄漏（ACLR）

邻道泄漏指标是用来衡量发射机的带外辐射特性，定义：邻道功率与主信道功率之比，通常用dBc表示，如下图：

射机的领道泄漏必然回对其他小区造成干扰，为了减小这种干扰，领道泄漏必须尽可能的小。

（6）频谱发射模板

对于WCDMA而言，频谱发射模板用于限制偏离发射载波中心频率2.5MHz～12.5MHz频段内的杂散发射功率，下面以WCDMA协议－3GPP TS 25.141 V3.6.0 (2001-06) 中规定的NodeB 发射机的频谱发射模板指标要求为例来说明：

Table 6.11: Spectrum emission mask values, BS maximum

output power P ≥ 43 dBm

（7）杂散辐射

杂散辐射是指发信机在频谱发射模板规定的频率范围之外的频段内发射的、信号之外的

其他信号，它包括谐波分量、寄生辐射、交调产物、发射机互调产物等。这些杂散辐射都会

对其他的无线通信系统造成干扰，对该指标的规定是为了提高系统的电磁兼容性能，以便与

其他系统（如GSM）共存，当然这也保证了系统自身的正常运行。

（8）CCDF

2. 功放线性与功放指标的关系

“线性功放”，顾名思义是输出信号与输入信号呈线性关系的功率放大器，如下图所示：

由于信号是一个矢量,它即是幅度的函数又是相位的函数，因此信号通过功率放大器时随着功率的增大，必然会产生非线性失真。

而非线性产生的结果，必然导致谐波产生，互调失真及频谱再生。

在第二代通信系统中对功放的线性要求主要体现在谐波及互调指标，第三代移动通信体统对功放的线性要求主要体现在ACLR （ACPR ）及杂散发射指标（和频谱再生相关），而这些线性指标在设计的过程中主要都会从信号本身的CCDF 入手。

输出信号

输入信号

输出信号幅度

输入信号幅度

度

输出信号相位

互调与谐波

频谱再生

（1）功放设计中CCDF的作用

信号的CCDF与功放P1dB：

现在功率放大器，末级功放管一般都是采用LDMOS功放管，由于功放的前级比末级回退多，因此功率放大器的P1dB压缩点都是指的末级功放管的P1dB压缩点，而功放的线性也主要是由末级功放管来决定。因此峰均比越大的信号，在其他条件相同的情况下，如果线性要求越高就需要更大的P1dB的功放管，也就是需要更大功率的功放管才能满足。

从上图中可以看出，功率放大器固定的情况下，PAR(峰均比@0.01%)越高，功放线性失真就越严重，也就是说如果输入信号的峰均比（或CCDF）不同，那么功放的线性也是不一样的。这就意味着功率放大器的设计过程中，相同情况下如果要求线性指标越好，成本就越高，（因为所选用的功放管功率变大后成本增加）。

另外，由于2G制式与3G制式的信号在峰均比上差别很大，3G信号要比2G高的多，因此理论上相同条件下，功放的成本3G成本要比2G高。

（2）功放指标与功放管的选择

很显然，在相同条件下，功放线性指标要求越高，就意味着所选用的功放管越大，成本也越高，特别是直放站，与基站比功率相对比较小，功放设计普遍采用回退的方法，因此高的线性要求必然带来高成本。

例如：一个G网的10W直放站互调指标要求为-36dBc，相同条件下，如果单纯将互调指标要求提高到-45dBc，那么从功放的设计上讲，肯定要提高末级功放管的功率采能达到指标要求。同理，一个WCDMA一体化模块如果单载波的ACLR指标从-45dBc@±5MZ提高到-50dBc@±5MZ,成本上也会提高。

下面在举个例子对于GSM与WCDMA二种信号进行说明：

其次，如果是多载波信号，相对于其相同的单载波信号，峰均比要高，因此相同功率的多载波放大器和单载波放大器，如果线性指标要求相同，多载波放大器的设计难度相对要大，且成本也会高。

3.常用的线性化技术

单纯的回退功放在线性指标上差别不大，但如果运用线性化技术，在线性上会有一定的提高（1）前馈线性化技术

2具有很好的改善效果，但大规模生产比较难．

2临界增益/相位不平衡

0.5dB 增益误差→ -31dB 消除

2.5° 相位误差→ -27dB 消除

2适用于窄带应用；

2成本相对较高，效率低。

（2）数字预失真

2基于数字基带系统的预失真方法；

2增加ADCs, DSP功率, 基带信号取样的需求；

2预失真处理在基带部分,具有稳定,一致；

2成本相对比较高。

2一般结合Doherty放大器共同使用，达到高效率和高线性。（3）模拟预失真

2改善效果不是很显著

2电路简单，易于实现，成本低；

2生产一致性不好实现