[原創(chuàng)] 寬帶A類放大器在通信測(cè)試中的應(yīng)用

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Broadband Class A amplifiers in Communications Test Applications

簡(jiǎn)介

本文介紹了第三代（WCDMA）和第四代（OFDM）手機(jī)調(diào)制方案及其關(guān)鍵傳輸特性，以及用于傳輸部件和組件開發(fā)/生產(chǎn)測(cè)試的測(cè)試放大器所需功能涉及的基本概念。

本文中所有例證均選取移動(dòng)電話系統(tǒng)下行鏈路(基站到移動(dòng)電話)進(jìn)行測(cè)試。

WCDMA

WCDMA（寬帶碼多分址）是第三代（3G）移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)UMTS的定義空中接口。采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS），將“偽噪聲”擴(kuò)頻碼與用戶信號(hào)結(jié)合，通過帶寬傳輸用戶信號(hào)。將不同代碼分配給不同用戶，通過同一帶寬實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)同時(shí)傳輸。由于信號(hào)分配代碼相同，接收端可還原（解擴(kuò)）復(fù)合寬帶信號(hào)中的特定信號(hào)。還原過程中，寬帶中所有其它擴(kuò)展信號(hào)均表現(xiàn)為噪聲。

DSSS數(shù)據(jù)傳輸

通過DSSS，用戶基線數(shù)據(jù)由眾多擴(kuò)頻碼的其中之一調(diào)制。此類代碼也稱為“信道化碼”，每一個(gè)代碼是一個(gè)高速率（3.84兆位/秒）、循環(huán)重復(fù)的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列，可“碎化”基線數(shù)據(jù)，達(dá)到3.84MHz的帶寬。

圖1（a）展示了數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)還原時(shí)的波形，此處–1=邏輯0，+1=邏輯1。前三個(gè)曲線表示傳輸過程。曲線1表示用戶基線數(shù)據(jù)，曲線2表示分配給每一用戶位的8位擴(kuò)頻碼，曲線3表示曲線2在曲線1處“碎化”后得到的擴(kuò)展信號(hào)。曲線3表示傳送的信號(hào)。

圖1(a) 通過擴(kuò)頻碼1傳送用戶數(shù)據(jù)，接收端用相同代碼產(chǎn)生交叉關(guān)聯(lián)時(shí)還原（標(biāo)記為解擴(kuò)碼1）

接收端利用相同的擴(kuò)解碼（曲線4）結(jié)合傳送信號(hào)來(lái)恢復(fù)信道數(shù)據(jù)，由此標(biāo)記為“解擴(kuò)碼1”。曲線5表示恢復(fù)后的用戶數(shù)據(jù)。這一過程即為“解擴(kuò)”，在數(shù)學(xué)上與解擴(kuò)碼構(gòu)成傳送擴(kuò)頻碼交叉關(guān)聯(lián)。交叉關(guān)聯(lián)在第3頁(yè)“正交性”部分作出了闡述，但概括起來(lái)，即使擴(kuò)頻碼與解擴(kuò)碼增加異或非門功能。

圖1（b）表示將傳送的擴(kuò)展信號(hào)與不同的擴(kuò)解碼結(jié)合后的結(jié)果。前三個(gè)跟蹤曲線表示與圖1（a）相同的傳送過程。不同的是，接收端用標(biāo)記為“解擴(kuò)碼2”的另一解擴(kuò)碼時(shí)，數(shù)據(jù)未恢復(fù)（曲線4與5）。


圖1(b) 通過擴(kuò)頻碼1傳送用戶數(shù)據(jù)，接收端用解擴(kuò)碼2產(chǎn)生交叉關(guān)聯(lián)時(shí)不恢復(fù)

正交性

WCDMA采用正交可變擴(kuò)頻因子（OVSF）碼，實(shí)現(xiàn)多信道同時(shí)傳輸，并保證信道數(shù)據(jù)速率靈活性。所有的OVSF擴(kuò)頻碼都是“特別的”，相互正交的，即彼此可在3.84MHz傳輸頻帶共存，無(wú)交叉干擾。

為實(shí)現(xiàn)正交性，各代碼需具備以下屬性：

• 任意兩種代碼交叉關(guān)聯(lián)=0

• 自相關(guān)性除以每個(gè)數(shù)據(jù)位的碼片位數(shù)量=1

• 必須擁有與-1和1同等數(shù)量的代碼

按照這些規(guī)則，我們將檢驗(yàn)擴(kuò)頻碼1和2作為示例。

按照規(guī)則逐條驗(yàn)證：

（1）交叉關(guān)聯(lián)=0

兩個(gè)數(shù)字序列的交叉關(guān)聯(lián)性是二者相似度的尺度。R(A.B)表示為序列位的乘積之和。

假設(shè)A為圖1（a）中的擴(kuò)頻碼1，B為圖1（b）中的擴(kuò)解碼2，如下所示：

A={-1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, 1}

B={1, -1, 1, -1, 1, -1, 1, -1}

R(A.B)={(-1x1)+(1x –1)+(1x1)+(-1x1)+(1x1)+(-1x–1)+(-1x1)+(1x–1)}={0}

如前文所示，利用異或非門，即可在門級(jí)輕易實(shí)現(xiàn)交叉關(guān)聯(lián)的函數(shù)。

（2）自相關(guān)性÷每數(shù)據(jù)位的碼片位數(shù)量=1

自相關(guān)本質(zhì)上即是序列的交叉關(guān)聯(lián)函數(shù)。

R(A.A)={(-1x-1)+(1x1)+(1x1)+(-1x-1)+(1x1)+(-1x-1)+(-1x-1)+(1x1)}={8}

R(B.B)={(1x1)+(-1x-1)+(1x1)+(-1x-1)+(1x1)+(-1x-1)+(1x1)+(-1x-1)}={8}

這兩種擴(kuò)頻碼每數(shù)據(jù)位均有8位碼片位，其中每數(shù)據(jù)位的碼片位被稱為擴(kuò)頻因子（SF）。因此自相關(guān)除以SF=1。

（3）擁有同等數(shù)量的-1與1

最后，擴(kuò)頻碼1與擴(kuò)頻碼2擁有相同數(shù)量的-1與1，因此這兩種代碼滿足第三種正交條件。

需要注意的是，遵守規(guī)則即可產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，因其類似噪聲被稱為偽噪聲（PN）。

可變擴(kuò)頻因子

如上所示，擴(kuò)頻碼1與擴(kuò)頻碼2均含8位擴(kuò)頻因子。下行鏈路擴(kuò)頻因子取值在4至512之間。在低擴(kuò)頻因子既定的條件下，當(dāng)用戶要求數(shù)據(jù)傳輸更快時(shí)，系統(tǒng)可分配用戶不同的數(shù)據(jù)傳輸速率及不同的擴(kuò)頻因子。這正是正交可變擴(kuò)頻因子“可變”由來(lái)。注意3.84兆位/秒的碼片速率是恒定的，因此相對(duì)于可變SF來(lái)說(shuō)，分配給用戶基帶的數(shù)據(jù)速率是不同的。

直接序列碼擴(kuò)頻后附加了擾碼。擾碼可幫助移動(dòng)電話識(shí)別正在聯(lián)系的基站。

OFDM

演進(jìn)版UMTS無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（EUTRAN）是第4代移動(dòng)電話系統(tǒng)性能演進(jìn)的產(chǎn)物。以4G LTE面世，采用OFDMA（正交頻分復(fù)用接入）作為下行鏈路方向的空中接口。主要特點(diǎn)是下行鏈路速率可達(dá)到100Mbps、出色的數(shù)據(jù)傳輸（衰減復(fù)原）性能和帶寬可擴(kuò)展（1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz及20MHz）。

OFDM主要涉及的概念是信號(hào)載體部分從單個(gè)高速率數(shù)據(jù)信號(hào)到多個(gè)并行低速率信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。圖2表示單個(gè)信道被分成多個(gè)并行的子信道，每個(gè)子信道的子載波頻率不同。這種與窄帶子載波間隔緊密的寬帶頻譜即為傳輸信號(hào)。間隔緊密提高了系統(tǒng)頻譜效率。



圖2 OFDM信號(hào)產(chǎn)生過程圖示

子載波數(shù)據(jù)速率低，因而發(fā)送符號(hào)較長(zhǎng)，同時(shí)可增加保護(hù)間隔。這使得OFDM可應(yīng)對(duì)信道挑戰(zhàn)性要求，如多徑衰落（WCDMA真正存在的一個(gè)問題）、窄帶干擾與符號(hào)間干擾，比以往方案更占優(yōu)勢(shì)。從而使并行傳輸數(shù)據(jù)的凈數(shù)據(jù)傳輸率等于信號(hào)原有的高數(shù)據(jù)速率。

在接收端實(shí)現(xiàn)緊湊的頻譜與信道分離的易用性關(guān)鍵在于子載波間的正交性。

正交性

為便于解釋OFDM概念中的正交性，首先重溫時(shí)域中重復(fù)脈沖的傅里葉變換對(duì)，以及在頻域的sinc函數(shù)。圖3表示變換對(duì)，其中（a）表示RF頻率（音調(diào)）開啟T秒，到下一脈沖時(shí)關(guān)閉，（b）表示頻域等同于以頻率為f的RF脈沖為中心的sinc函數(shù)，與零點(diǎn)位置1/T分開。


圖3 RF頻率f赫茲重復(fù)脈沖與T秒持續(xù)時(shí)間

若在相同脈沖周期T內(nèi)引入另一兩倍于第一（即2f）頻率的音調(diào)，就會(huì)使另一sinc函數(shù)與第一音調(diào)相近，但如圖4所示，最大不會(huì)超過2f，且以第一音調(diào)的第一零點(diǎn)位置為中心。由于第二音調(diào)的最大值產(chǎn)生于第一音調(diào)零點(diǎn)位置，所以兩者之間不會(huì)產(chǎn)生交叉干擾。在同時(shí)增加更多頻率f（圖4中所示3f）的整數(shù)倍音調(diào)創(chuàng)建緊湊型頻譜時(shí)，也同樣適用，音調(diào)之間不會(huì)產(chǎn)生交叉干擾。


圖4 頻域里緊湊型正交子載波在f與3f均位于零點(diǎn)位置時(shí)取得最大值2f，因此不會(huì)產(chǎn)生交叉干擾。

信道音調(diào)f、2f與3f在時(shí)域中如圖5所示。注意，每個(gè)增加的子信道是基本音調(diào)f的諧波，因此相對(duì)所有子信道來(lái)說(shuō)，在脈沖持續(xù)時(shí)間T內(nèi)為完整周期的整數(shù)倍。


圖5 正交子載波時(shí)域顯示（注意：所有子載波在脈沖持續(xù)時(shí)間T內(nèi)擁有完整周期）

解復(fù)用

通過OFDM復(fù)合信號(hào)乘以所需子載波音調(diào)與集成數(shù)值（圖6），即可達(dá)到解復(fù)用。

圖6 子信道解復(fù)用概念

解復(fù)用過程中，只有被分離的子載波擁有非零整數(shù)，因此分離子載波不會(huì)受到其他子載波干擾。版1出示的是非零結(jié)果的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)證明過程。


版1：證明音調(diào)乘以T時(shí)內(nèi)本身與集成數(shù)值得出非零數(shù)值。
注意接收到的音調(diào)調(diào)制(QAM，PSK等)被保留下來(lái)。

所有其他音調(diào)得出零值，如版2所示。所有信道音調(diào)過程在順序上是重復(fù)的（圖6回形步驟中圓形開關(guān)），恢復(fù)數(shù)據(jù)信號(hào)串行發(fā)送，用于解調(diào)。

發(fā)射波形特征

峰值平均功率比 (PAPR)

峰值平均功率比，也稱波峰因數(shù)，是復(fù)合信號(hào)峰值功率與RMS功率的比率。PAPR由相長(zhǎng)干擾引起，以dB為表示單位；在多種同時(shí)發(fā)射的信號(hào)相位對(duì)準(zhǔn)時(shí)產(chǎn)生高PAPR。

WCDMA與OFDM波形峰值功率與平均功率比率都比較高，WCDMA通常在10dB到11dB，OFDMA通常在12dB到13dB。若偶爾出現(xiàn)的信號(hào)峰沒有剔除，這些高比率就意味著選擇放大器的額定功率很有挑戰(zhàn)。具有此類峰值的OFDM信號(hào)如圖7所示。


版2：證明音調(diào)乘以諧波與T時(shí)內(nèi)集成數(shù)值得出零值。

圖7 OFDM復(fù)合信號(hào)偶爾出示高峰值

ACLR

相鄰信道泄漏比（ACLR）可相對(duì)測(cè)量泄漏至相鄰信道的信號(hào)功率。

WCDMA ACLR限值

信號(hào)通過一個(gè)根升余弦濾波器（RRC）、3.84MHz帶寬與滾降因子（α=0.22）進(jìn)行傳遞?？墒?.84MHz頻帶擴(kuò)至4.68MHz，每個(gè)信道所分配的頻帶為5MHz。

泄漏至最近的WCDMA信道（測(cè)量點(diǎn)距離取5MHz處）的功率ACLR限值為45dBc，其相鄰信道限值為50dBc（測(cè)量點(diǎn)距離取10MHz處）的下一個(gè)通道上沿。

圖8所示曲線選自一組標(biāo)示功率放大器的性能曲線。信號(hào)分析儀顯示屏上的紅色虛線分別為45dBc和50dBc限值。


圖8 WCDMA功率（黃色追蹤曲線）表示發(fā)送信道、以及泄漏至左側(cè)兩相鄰信道與右側(cè)兩相鄰信道的功率分布狀況。

圖8表示W(wǎng)CDMA功率（黃色追蹤曲線）表示發(fā)送信道、以及泄漏至左側(cè)兩相鄰信道與右側(cè)兩相鄰信道的功率分布狀況。發(fā)送信道的絕對(duì)功率（以dBm為單位）用藍(lán)色塊標(biāo)示。相鄰頻帶的相對(duì)功率（dBc）也用藍(lán)色塊標(biāo)示。每個(gè)相鄰信道的ACLR限值用紅色標(biāo)示（兩邊最近的信道標(biāo)示的是45dBc，另兩個(gè)較遠(yuǎn)的信道標(biāo)示的是50dBc）

OFDM ACLR限值

限值和測(cè)量用濾波器各不相同，取決于相鄰信道是OFDM或WCDMA。為OFDM時(shí)，ACLR測(cè)量使用方測(cè)量濾波器（一個(gè)用于傳輸信道，一個(gè)用于相鄰信道）。當(dāng)相鄰信道是WCDMA時(shí)，如上所述ACLR測(cè)量使用RRC濾波器。在這兩種情況下OFDM ACLR限值均為45dBc。

放大器的性能特點(diǎn)

在測(cè)試WCDMA和OFDMA基站傳輸組件/路徑中，ACLR性能是寬帶放大器的關(guān)鍵屬性。圖9和圖10表示當(dāng)今寬帶放大器的設(shè)計(jì)中砷化鎵（GaAsFET）和氮化鎵（GaN）兩種晶體管技術(shù)采集的ACLR數(shù)據(jù)。

該圖顯示了不同ACLR限值在整個(gè)頻帶放大器可實(shí)現(xiàn)的載波功率。同時(shí)展示了晶體管技術(shù)的可擴(kuò)展特性，該放大器功率為額定功率的兩倍，相同的ACLR會(huì)產(chǎn)生雙倍的載波功率。

圖9表示W(wǎng)CDMA ACLR與GaAsFET放大器載波功率特性。該放大器頻率覆蓋范圍0.8GHz~2.0GHz，額定功率為100W P1dB。例如 ACLR為-45dB時(shí)，放大器在0.8GHz（藍(lán)色曲線，帶圓點(diǎn)標(biāo)記）時(shí)提供的功率超過42dBm，在2.0GHz（深藍(lán)色曲線，帶圓點(diǎn)標(biāo)記）時(shí)稍低于43dBm。


圖9 WCDMA ACLR與GaAsFET放大器載波功率特性

GaAsFET家庭專用（圖9特征）另一個(gè)重要的通信測(cè)試放大器型號(hào)為AS0728-180，是一個(gè)700MHz~2800MHz 180W P1dB放大器，可覆蓋目前所有移動(dòng)電話頻帶（728MHz ~ 2690MHz）。

圖10展示了WCDMA ACLR與GaN放大器載波功率特性。該放大器頻率覆蓋范圍1.8GHz~6.0GHz，額定功率為50W P1dB。例如ACLR為-45dB時(shí)，放大器在1.8GHz（淡紫色曲線，帶方形標(biāo)記）時(shí)提供的功率為37.5dBm，在6.0GHz（深藍(lán)色曲線，帶鉆石形標(biāo)記）時(shí)則稍高于34dBm。


圖10 WCDMA ACLR與GaN放大器載波功率特性

總結(jié)

本文一同討論了3G和4G移動(dòng)電話調(diào)制方案所涉及的關(guān)鍵概念與發(fā)射波形特征。并引入GaAsFET/GaN功率放大器的ACLR屬性和可擴(kuò)展性概念，以支持任何特定的移動(dòng)電話傳輸應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)墓β蕼y(cè)試放大器。

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