使用动态范围扩展技术鉴定超线性功率放大器特性

 迅速发展的无线产业要求更有效地利用可用频谱。这导致了对高线性多载波功率放大器（MCPA）的需求，以支持不断增长的语音和数据通信量。为鉴定高线性MCPA和互调低于-80dB，需要动态范围性能大的测试系统。已发展出一种新的仪器，比以前的失真测试系统的动态范围扩展了至少25dB ，以适应这一挑战。

I．绪论

 在无线系统向3G演进的道路上，调制方式有了很大变化。调制方式变化的目的在于通过无线网络实现高效数据接入，提高数据和话音无线通信利用率。高效数据接入需要增强的空中接口数据率，欧洲电信标准协会（ETSI）已为GSM、EDGE和W-CDMA制定了标准。EDGE把GSM的调制方式从8-PSK转到GMSK，提高了峰值平均功率比（PAR），增加了对当今GSM放大器系统的线性需求——尤其是使用多载波的地方。表1总结了与欧洲频谱要求相一致的信号传输带内需求。当载波偏置大于6MHz时，100KHz内的带内失真必须小于-70dBc，这是在频谱分析仪使用峰值保持设置时测出的，如果使用平均值，大约相当于-80dBc。表2给出了符合3GPP标准的相应放大器标准，总结了关键的频率限制。可见1MHz带宽内测得的邻道功率（ACP）散布在距载频4MHz内。为在多载波条件下实现这些标准，Powerwave Technologies等功放生产商致力于提高放大器的线性。鉴定失真抑制超过80dB的放大器变得越来越困难。这些水平的失真与当前测量系统的精度相当，甚至还要好。为迎接这一挑战，Powerwave Technologies 和 Agilent 合作设计了一种撤消技术，有可能给任何测量系统增加大约30dB的动态范围，从而可以精确鉴定新一代的高线性功放。

II．现有测试方式的局限性

 图1是测试基站功放ACP（邻道功率）和IMD（互调失真）的典型设置。DUT的输出连向高功率负载，一部分输出信号耦合给测量仪器（一般是频谱分析仪）,其功率与输入功率成正比。使用精度校准耦合器以使放大器的输出功率被准确度量。在理想测量情况下，DUT的输入信号只包含指定信号信道的频谱成分，见图2（a）。而DUT具有非线性，导致指定信号频谱成分相互混合，还与其它信号混合，产生额外的频谱成分，形成了图2（b）所示的邻道干扰。这是必须测量的频谱功率。对这些功率的另外一个通用术语是“频谱再生”。测量系统必须测定失真频谱与正常频谱的比值，或是失真频谱的绝对功率值。问题在于高线性MCPA的主信道和邻信道间的功率区别超过了典型带宽测量系统的动态范围能力。一旦测量系统的动态范围被超过，信号源和测量仪器间产生与DUT内产生的相似的内在互调失真（IMD），附加的失真会混淆DUT的作用。这限制了DUT性能的测量精确度。

III．动态范围扩展器（DRE）的讨论

 A．工作原理

 该测量技术在过程中使用撤消信号，把多余信号撤离测量仪器。图3是测量设置，信号源分成两路，一路去相移器生成撤消信号，另一路去DUT。当两路信号大小相同，相位相反时产生最大撤消信号。Agilent的PSA系列频谱分析仪经过这一优化，可提供ACPR/ACLR的实时显示输出。第1步，不让撤消信号通过下面的路由，从DUT中获取参考信号，这建立了比率测量的参考功率。第2步，环路信号供给耦合的DUT信号，产生撤消信号给频谱分析仪。撤消发生在两路信号大小相同相位相反时。撤消环节使测量仪器的输入线性放大信号至少减小了25dB。通过内在衰减降低，增加了分析仪的动态范围，没有自生非线性。撤消环节还减小了信号源产生的失真功率。但撤消对DUT的失真产物没有效果。DUT频谱成分在环路中产生，不能减少，在测量仪器中仍然存在。撤消可被认为是为频谱分析仪“移除25dB的线性放大信号频谱”。这就可以测量低噪声场合和DUT的作用（与输入无关）。

 总的来说，使用这种测量系统的优点是：

 1．频谱分析仪和输入信号产生的失真和噪声被大大降低。

 2．只有DUT产生的失真产物被测量。

 B．撤消的带宽

 在图3的功率合成器中，当两个相加的信号大小相等，相位相反时，产生最佳撤消。在Agilent 8760A KE4中这样做，有30dB的撤消，带宽超过100MHz。

IV．有DRE的测量结果

 图4所示的超线性宽带放大器被用于GSM多载波基站。图5表示GSM MCPA的输出频谱，有4路相隔5MHz ，39.3dBm的GSM调制信号，总输出功率是45.3dBm（33.9w）。在信号分析仪上的正确值是-1.7dBm，表示测量参考。图6表示DRE载波撤消大于30dB，且显示了图5未画出的互调成分，注意测试数据超过6MHz时，载波互调比不小于80dB[要求是-70dB（最大保持）]。DRE提供的额外动态范围表明GSM输出频谱中失真信号低于载波80dB（频谱分析仪峰值保持设置测得）。如果不使用DRE，MCPA的输出将超过频谱分析仪的动态范围，失真产物就无法测量。

 对使用3GPP波形的放大器也可作类似的比较。图7到图9表示在2.11到2.17GHz频段内工作的3G放大器的测量结果。这些测量用来研究邻道功率（1MHz带宽，离中心频率正负4MHz），3个W-CDMA载波合成输出，功率为46.5dBm（45w）。图7表示不用DRE直接测量输出频谱。可见，正负4MHz邻道功率（ACP）大约为-16dBm。这个指标与-13dBm的限制很接近。图8表示使用撤消后该值变为-24dBm。图9表示当总输出功率下降1dB时的撤消测量。邻道功率低于-35dBm，比不用DRE时改善了18dB以上。

V．结论

 为适应严格的无线传输标准，高线性多载波功放和相应的测量仪器都得到了发展。新的撤消技术增加了互调失真测量范围，比传统的互调失真（IMD）测量仪器提高了至少25dB。撤消信号移除了失真测量仪器激发的绝大多数互调失真，同时降低了输给频谱分析仪的功率，使其输入衰减更低。低衰减降低了测量仪器的噪声，增加了动态范围。

 本文的例子说明该技术在测量频谱失真产物、邻道功率比和噪声功率比时，可改善11dB以上。