如何测量宽带大功率放大器的失真

用户对更高数据速率应用的需求正在飞速增长，因此业界需要开发能够在更高频率和更高阶调制方案下实现大信号带宽的现代化技术（如高通量卫星和 5G 新空口）。然而，带宽越大，带给系统的噪声就越多；调制方案越高阶，则越容易受到噪声的影响。

适当的信噪比（SNR）是维持通信链路质量的关键。您需要提高信号电平并降低系统噪声，从而保持链路的高质量。大功率放大器是构建射频（RF）和微波通信系统的重要基石。它们在输出大功率的同时也会给系统带来非线性失真。因此，要想打造可靠的设计和出色的产品，关键是要表征宽带大功率放大器的非线性特性。

本文重点介绍了如何测量宽带大功率放大器的失真。探索如何为宽带应用执行激励－响应测试，并介绍了一种表征射频功率放大器的创新方法。

失真测量

激励－响应测量是一种评测失真的简单方法。它们要求输入一个激励测试信号，然后采集输出的响应并进行分析。激励－响应测试可帮助您了解射频元器件在不同条件下的性能，从而确定最适合的设计折中方案。激励－响应测试包括互补累积分布函数（CCDF）、谐波、三阶互调（TOI）、邻道功率（ACP）和误差矢量幅度（EVM）等测试。

请按照以下三个步骤来表征您的设计并进行问题诊断：

表征数字调制信号。您需要了解仿真波形的功率特征，以便将正确的幅度电平应用到信号发生器上。您可以测量并比较输入信号和输出信号的CCDF曲线，查看被测器件（DUT）的输出是否被压缩。

进行失真测量。通过谐波失真、TOI失真和ACPR等测量来查看失真对频谱的影响。

对调制信号进行解调和问题诊断。您可以对设计进行解调分析和问题诊断。

接下来，我们将讨论如何评测宽带应用中的失真性能——噪声功率比（NPR）和调制失真测量。

NPR 测量

NPR 测量能够对系统、子系统和元器件的互调失真进行客观和定量的表征。

什么是 NPR ？

NPR 是一种失真测量，有助于确定没有杂散的最大动态范围。在进行NPR测量时，您需要生成条件噪声并分析噪声经过被测器件后发生的变化。图1描绘了NPR的输入信号、输出信号和测量结果。NPR输入信号包含加性高斯白噪声，使用陷波滤波器去除了一部分频谱。具有非线性特性的被测器件会导致被测器件输出端的频谱陷波内产生失真分量（紫色区域）。NPR是通带内所有互调产物之和与陷波中所有互调产物之和的比值。

图1. 射频功率放大器的NPR测量结果

要获得准确的NPR测量结果，激励信号（输入信号）的陷波必须深而尖，信号分析仪必须具有高动态范围。这些步骤确保测得的失真是来自被测器件，而不是来自信号发生器和信号分析仪本身。

多音频失真法

深而尖的陷波滤波器可能很难获得。您也可以使用一个信号分析仪创建大量音频来仿真宽带噪声，然后禁用部分音频来生成陷波。不过，这些音频也会在信号发生器内部产生互调产物，您需要采用先进的校正程序来抑制带内和带外的失真产物。

图2显示的多音频失真软件设置将会生成 100 MHz 带宽多音频信号，其中包含 1,001 个音频，音频间隔为100 kHz。在偏离NPR测试中心频率10 MHz 处有一 个 10 MHz 陷波。图3显示了频谱分析仪的测量结果。在 9.8 MHz 扫宽下，陷波处的噪声功率为 -43.18 dBm。

图2. 用于 NPR 测试的多音频信号生成设置

图3. 使用 PXA 信号分析仪进行 NPR 测量

一旦多音频生成软件工具激活校正程序，频谱分析仪就会测量陷波区域内的互调产物。然后，该工具会重新计算并将校正后的多音频波形下载到信号发生器中，从而最大限度减少互调产物。校正过程会重复进行，直到互调产物低于目标抑制水平。图4 显示，校正后的噪声功率下降到了-60.29 dBm（改善了 17 dB）。先进校正功能可以改善信号发生器导致的互调产物。您可以将校正面扩展到被测器件的输入端口，包括测试夹具中额外的有源元器件（如外部功率放大器）。

图4. 改善 NPR 测试信号的陷波深

与模拟方法评测放大器和其他通信器件中的互调失真影响相比，这种确定 NPR 的数字方法由于能够为 NPR 测量生成精确且可重复的激励信号，在很多方面都更胜一筹。校准后幅度平坦且准确的信号、可预测且可重复的尖锐频谱形状、可以改善陷波深度的校正能力以及将测量面扩展到被测器件等都让数字方法更有优势。

调制失真测量

如图5所示，在表征射频宽带元器件时，当前常用的方法是使用两种仪器——矢量网络分析仪（VNA）和信号发生器（SG）加上信号分析仪（SA）进行激励－响应测试。VNA系统可提供S参数、增益压缩、TOI和噪声系数测量，表征射频元器件的基本特征。SA+SG系统可提供CCDF、ACP、EVM和NPR测量。您需要在两个测试系统之间转移被测器件，才能完成所有测试项目并校准系统，获得准确、可重复的测量结果。

图5. 表征射频宽带元器件的性能

新调制失真方法只需单次连接，便可使用 VNA 和矢量信号发生器（VSG）对射频放大器进行完整和准确的表征。这种方法充分利用 VNA 的体系结构在被测器件的输入端和输出端进行失真测量（图6）。测试系统可持续测量输入信号和输出信号。它还会计算频谱相关性，从而能够将输出频谱分解为线性相关频谱和非线性失真频谱。

图6.  调制失真测量方框图

编辑：黄飞