[原創] 寬帶A類放大器在通信測試中的應用

■ MILMEGA公司

Broadband Class A amplifiers in Communications Test Applications

簡介

本文介紹了第三代（WCDMA）和第四代（OFDM）手機調制方案及其關鍵傳輸特性，以及用于傳輸部件和組件開發/生產測試的測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電話系統下行鏈路(基站到移動電話)進行測試。

WCDMA

WCDMA（寬帶碼多分址）是第三代（3G）移動電話網絡UMTS的定義空中接口。采用直接序列擴頻（DSSS），將“偽噪聲”擴頻碼與用戶信號結合，通過帶寬傳輸用戶信號。將不同代碼分配給不同用戶，通過同一帶寬實現多種信號同時傳輸。由于信號分配代碼相同，接收端可還原（解擴）復合寬帶信號中的特定信號。還原過程中，寬帶中所有其它擴展信號均表現為噪聲。

DSSS數據傳輸

通過DSSS，用戶基線數據由眾多擴頻碼的其中之一調制。此類代碼也稱為“信道化碼”，每一個代碼是一個高速率（3.84兆位/秒）、循環重復的偽隨機二進制序列，可“碎化”基線數據，達到3.84MHz的帶寬。

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

圖1(a) 通過擴頻碼1傳送用戶數據，接收端用相同代碼產生交叉關聯時還原（標記為解擴碼1）

接收端利用相同的擴解碼（曲線4）結合傳送信號來恢復信道數據，由此標記為“解擴碼1”。曲線5表示恢復后的用戶數據。這一過程即為“解擴”，在數學上與解擴碼構成傳送擴頻碼交叉關聯。交叉關聯在第3頁“正交性”部分作出了闡述，但概括起來，即使擴頻碼與解擴碼增加異或非門功能。

圖1（b）表示將傳送的擴展信號與不同的擴解碼結合后的結果。前三個跟蹤曲線表示與圖1（a）相同的傳送過程。不同的是，接收端用標記為“解擴碼2”的另一解擴碼時，數據未恢復（曲線4與5）。


圖1(b) 通過擴頻碼1傳送用戶數據，接收端用解擴碼2產生交叉關聯時不恢復

正交性

WCDMA采用正交可變擴頻因子（OVSF）碼，實現多信道同時傳輸，并保證信道數據速率靈活性。所有的OVSF擴頻碼都是“特別的”，相互正交的，即彼此可在3.84MHz傳輸頻帶共存，無交叉干擾。

為實現正交性，各代碼需具備以下屬性：

• 任意兩種代碼交叉關聯=0

• 自相關性除以每個數據位的碼片位數量=1

• 必須擁有與-1和1同等數量的代碼

按照這些規則，我們將檢驗擴頻碼1和2作為示例。

按照規則逐條驗證：

（1）交叉關聯=0

兩個數字序列的交叉關聯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A為圖1（a）中的擴頻碼1，B為圖1（b）中的擴解碼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，即可在門級輕易實現交叉關聯的函數。

（2）自相關性÷每數據位的碼片位數量=1

自相關本質上即是序列的交叉關聯函數。

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}

這兩種擴頻碼每數據位均有8位碼片位，其中每數據位的碼片位被稱為擴頻因子（SF）。因此自相關除以SF=1。

（3）擁有同等數量的-1與1

最后，擴頻碼1與擴頻碼2擁有相同數量的-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，遵守規則即可產生偽隨機碼，因其類似噪聲被稱為偽噪聲（PN）。

可變擴頻因子

如上所示，擴頻碼1與擴頻碼2均含8位擴頻因子。下行鏈路擴頻因子取值在4至512之間。在低擴頻因子既定的條件下，當用戶要求數據傳輸更快時，系統可分配用戶不同的數據傳輸速率及不同的擴頻因子。這正是正交可變擴頻因子“可變”由來。注意3.84兆位/秒的碼片速率是恒定的，因此相對于可變SF來說，分配給用戶基帶的數據速率是不同的。

直接序列碼擴頻后附加了擾碼。擾碼可幫助移動電話識別正在聯系的基站。

OFDM

演進版UMTS無線接入網絡（EUTRAN）是第4代移動電話系統性能演進的產物。以4G LTE面世，采用OFDMA（正交頻分復用接入）作為下行鏈路方向的空中接口。主要特點是下行鏈路速率可達到100Mbps、出色的數據傳輸（衰減復原）性能和帶寬可擴展（1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、15MHz及20MHz）。

OFDM主要涉及的概念是信號載體部分從單個高速率數據信號到多個并行低速率信號之間的轉換。圖2表示單個信道被分成多個并行的子信道，每個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。間隔緊密提高了系統頻譜效率。



圖2 OFDM信號產生過程圖示

子載波數據速率低，因而發送符號較長，同時可增加保護間隔。這使得OFDM可應對信道挑戰性要求，如多徑衰落（WCDMA真正存在的一個問題）、窄帶干擾與符號間干擾，比以往方案更占優勢。從而使并行傳輸數據的凈數據傳輸率等于信號原有的高數據速率。

在接收端實現緊湊的頻譜與信道分離的易用性關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，首先重溫時域中重復脈沖的傅里葉變換對，以及在頻域的sinc函數。圖3表示變換對，其中（a）表示RF頻率（音調）開啟T秒，到下一脈沖時關閉，（b）表示頻域等同于以頻率為f的RF脈沖為中心的sinc函數，與零點位置1/T分開。


圖3 RF頻率f赫茲重復脈沖與T秒持續時間

若在相同脈沖周期T內引入另一兩倍于第一（即2f）頻率的音調，就會使另一sinc函數與第一音調相近，但如圖4所示，最大不會超過2f，且以第一音調的第一零點位置為中心。由于第二音調的最大值產生于第一音調零點位置，所以兩者之間不會產生交叉干擾。在同時增加更多頻率f（圖4中所示3f）的整數倍音調創建緊湊型頻譜時，也同樣適用，音調之間不會產生交叉干擾。


圖4 頻域里緊湊型正交子載波在f與3f均位于零點位置時取得最大值2f，因此不會產生交叉干擾。

信道音調f、2f與3f在時域中如圖5所示。注意，每個增加的子信道是基本音調f的諧波，因此相對所有子信道來說，在脈沖持續時間T內為完整周期的整數倍。


圖5 正交子載波時域顯示（注意：所有子載波在脈沖持續時間T內擁有完整周期）

解復用

通過OFDM復合信號乘以所需子載波音調與集成數值（圖6），即可達到解復用。

圖6 子信道解復用概念

解復用過程中，只有被分離的子載波擁有非零整數，因此分離子載波不會受到其他子載波干擾。版1出示的是非零結果的簡單數學證明過程。


版1：證明音調乘以T時內本身與集成數值得出非零數值。
注意接收到的音調調制(QAM，PSK等)被保留下來。

所有其他音調得出零值，如版2所示。所有信道音調過程在順序上是重復的（圖6回形步驟中圓形開關），恢復數據信號串行發送，用于解調。

發射波形特征

峰值平均功率比 (PAPR)

峰值平均功率比，也稱波峰因數，是復合信號峰值功率與RMS功率的比率。PAPR由相長干擾引起，以dB為表示單位；在多種同時發射的信號相位對準時產生高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。若偶爾出現的信號峰沒有剔除，這些高比率就意味著選擇放大器的額定功率很有挑戰。具有此類峰值的OFDM信號如圖7所示。


版2：證明音調乘以諧波與T時內集成數值得出零值。

圖7 OFDM復合信號偶爾出示高峰值

ACLR

相鄰信道泄漏比（ACLR）可相對測量泄漏至相鄰信道的信號功率。

WCDMA ACLR限值

信號通過一個根升余弦濾波器（RRC）、3.84MHz帶寬與滾降因子（α=0.22）進行傳遞。可使3.84MHz頻帶擴至4.68MHz，每個信道所分配的頻帶為5MHz。

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

圖8所示曲線選自一組標示功率放大器的性能曲線。信號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）表示發送信道、以及泄漏至左側兩相鄰信道與右側兩相鄰信道的功率分布狀況。

圖8表示WCDMA功率（黃色追蹤曲線）表示發送信道、以及泄漏至左側兩相鄰信道與右側兩相鄰信道的功率分布狀況。發送信道的絕對功率（以dBm為單位）用藍色塊標示。相鄰頻帶的相對功率（dBc）也用藍色塊標示。每個相鄰信道的ACLR限值用紅色標示（兩邊最近的信道標示的是45dBc，另兩個較遠的信道標示的是50dBc）

OFDM ACLR限值

限值和測量用濾波器各不相同，取決于相鄰信道是OFDM或WCDMA。為OFDM時，ACLR測量使用方測量濾波器（一個用于傳輸信道，一個用于相鄰信道）。當相鄰信道是WCDMA時，如上所述ACLR測量使用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

在測試WCDMA和OFDMA基站傳輸組件/路徑中，ACLR性能是寬帶放大器的關鍵屬性。圖9和圖10表示當今寬帶放大器的設計中砷化鎵（GaAsFET）和氮化鎵（GaN）兩種晶體管技術采集的ACLR數據。

該圖顯示了不同ACLR限值在整個頻帶放大器可實現的載波功率。同時展示了晶體管技術的可擴展特性，該放大器功率為額定功率的兩倍，相同的ACLR會產生雙倍的載波功率。

圖9表示WCDMA 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，放大器在0.8GHz（藍色曲線，帶圓點標記）時提供的功率超過42dBm，在2.0GHz（深藍色曲線，帶圓點標記）時稍低于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）另一個重要的通信測試放大器型號為AS0728-180，是一個700MHz~2800MHz 180W P1dB放大器，可覆蓋目前所有移動電話頻帶（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，放大器在1.8GHz（淡紫色曲線，帶方形標記）時提供的功率為37.5dBm，在6.0GHz（深藍色曲線，帶鉆石形標記）時則稍高于34dBm。


圖10 WCDMA ACLR與GaN放大器載波功率特性

總結

本文一同討論了3G和4G移動電話調制方案所涉及的關鍵概念與發射波形特征。并引入GaAsFET/GaN功率放大器的ACLR屬性和可擴展性概念，以支持任何特定的移動電話傳輸應用選擇適當的功率測試放大器。

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