射頻基礎(chǔ)知識(shí)---調(diào)制信號(hào)的功率測(cè)量

一、信道功率

射頻信號(hào)的信道功率指的就是：在指定信道帶寬內(nèi)的總功率。下圖展示了一個(gè)典型數(shù)字調(diào)制信號(hào)的信道功率。請(qǐng)注意，這個(gè)信號(hào)是一個(gè)調(diào)制信號(hào)：其頻譜具有較寬且有點(diǎn)像噪聲的形狀，沒(méi)有明顯的譜線。該信道寬5MHz，信號(hào)占據(jù)了大部分的頻率范圍，在接近信道邊緣時(shí)信號(hào)強(qiáng)度逐漸減弱。頻譜分析儀對(duì)規(guī)定信道內(nèi)的所有功率進(jìn)行積分，并將結(jié)果顯示為-20.86dBm。

二、占用帶寬

射頻信號(hào)的占用帶寬描述了該信號(hào)在頻域上的寬度，它是基于信號(hào)中總功率的一定比例來(lái)確定的。例如，對(duì)于占用帶寬的一個(gè)常見(jiàn)規(guī)定是，包含了發(fā)射功率99%的那個(gè)頻率范圍即為占用帶寬，下圖是占用帶寬示意圖，其中β/2%通常取值為0.5%。

三、鄰道功率

確保射頻信號(hào)保持在其預(yù)定的頻率空間（信道）內(nèi)是很重要的。當(dāng)一個(gè)射頻信號(hào)溢出到相鄰信道時(shí)，它會(huì)對(duì)其他無(wú)線信道造成干擾，并降低系統(tǒng)性能。沒(méi)有信號(hào)是完美無(wú)缺的，所以總會(huì)有少量能量會(huì)對(duì)相鄰信道產(chǎn)生影響。

鄰道功率指的是泄漏到相鄰信道中的功率量。它可以用絕對(duì)功率來(lái)表示，不過(guò)更常見(jiàn)的是表示為鄰道功率與主信道功率的比值，這被稱(chēng)為鄰道功率比（ACPR）或鄰道泄漏比（ACLR）。我們可以使用以下公式以dB為單位來(lái)表示這個(gè)比值：

其中Pch是主信道功率，Padj是相鄰信道的功率。

下圖展示了一次鄰道功率比（ACPR）的測(cè)量結(jié)果，主信道位于顯示屏幕的中央，兩側(cè)各有一個(gè)相鄰信道。信道功率測(cè)量值在-4dBm附近波動(dòng)。兩個(gè)緊鄰的相鄰信道的功率分別顯示為-65dBm和-70dBm，對(duì)應(yīng)的鄰道功率比（ACPR）分別為-61dBc和-66dBc，這里的“dBc”表示相對(duì)于載波或信道功率的分貝數(shù)。該測(cè)量存在噪聲干擾，所以結(jié)果會(huì)有所波動(dòng)。

請(qǐng)注意，兩個(gè)相鄰近的信道的鄰道功率比（ACPR）比外部信道大約差5dB。上圖中可以看到，相鄰信道中的功率在接近主信道時(shí)會(huì)略有增加。

四、放大器非線性

隨著工程師們追求最大輸出功率和放大器效率，放大器中的非線性會(huì)導(dǎo)致主信道的信號(hào)泄漏到相鄰信道中。這有時(shí)被稱(chēng)為頻譜泄漏，是導(dǎo)致鄰道功率比下降的一個(gè)關(guān)鍵因素。

非線性會(huì)導(dǎo)致放大器出現(xiàn)各種形式的失真。諧波失真是常見(jiàn)的一種，但它只影響主載波整數(shù)倍的頻率。這些頻率通常在頻帶之外，并且常通過(guò)低通濾波器被濾除。

互調(diào)失真的經(jīng)典模型會(huì)在這些頻率上產(chǎn)生失真產(chǎn)物，其中n和m為整數(shù)。

三階互調(diào)失真會(huì)特別麻煩，因?yàn)樗鼤?huì)在主信道“附近”產(chǎn)生失真產(chǎn)物。例如，考慮主信道內(nèi)的兩個(gè)頻率f1和f2。

其中一個(gè)三階互調(diào)產(chǎn)物的頻率由下式給出：

例如，假設(shè)f1=1.922GHz且f2=1.918GHz，那么f21失真產(chǎn)物的頻率將是1.926GHz，這個(gè)頻率相對(duì)接近原始的頻率對(duì)。根據(jù)確切的頻率值和信道間隔，失真產(chǎn)物的頻率可能會(huì)落在主信道內(nèi)，或者落在某一個(gè)相鄰信道內(nèi)。四、ACLR和ACPR的關(guān)系

ACLR（Adjacent Channel Leakage Ratio，鄰道泄漏比）和ACPR（Adjacent Channel Power Ratio，鄰道功率比）在實(shí)際應(yīng)用中常被視為等同的概念，用于衡量無(wú)線通信系統(tǒng)中主信道與相鄰信道之間的功率關(guān)系。

不過(guò)，兩者在定義和側(cè)重點(diǎn)上也有一些細(xì)微差別：

定義：ACLR更強(qiáng)調(diào)主信道功率與相鄰信道上泄漏功率的比值，關(guān)注的是由于發(fā)射機(jī)非理想特性導(dǎo)致的功率泄漏情況；ACPR則是指相鄰信道的總功率與主信道功率的比值，相對(duì)更側(cè)重于相鄰信道上的整體功率水平，而不特別區(qū)分是否是泄漏功率。

計(jì)算方式：ACLR是主信道功率與相鄰信道泄露功率的差值；ACPR是相鄰信道總功率與主信道功率的比值。

應(yīng)用場(chǎng)景：ACLR常用于評(píng)估和控制發(fā)射機(jī)的線性度和頻譜純凈度，ACPR則更多用于系統(tǒng)規(guī)劃和頻譜管理，特別是在頻譜資源緊張的環(huán)境中。

在實(shí)際測(cè)試中，在基站設(shè)計(jì)中常采用ACLR作為系統(tǒng)指標(biāo)，而終端設(shè)計(jì)中常采用ACPR作為系統(tǒng)指標(biāo)。但在很多文獻(xiàn)和資料中，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)常互換使用來(lái)表示同一概念。

五、ACLR和IMD的關(guān)系

RF器件的ACLR來(lái)源可以對(duì)寬帶載波頻譜進(jìn)行模擬，相當(dāng)于獨(dú)立的CW副載波集合。每個(gè)副載波都會(huì)攜帶一部分總的載波功率。下圖所示就是這樣一個(gè)模型，連續(xù)RF載波由四個(gè)單獨(dú)的CW副載波模擬，每個(gè)副載波的功率為總載波功率的四分之一。副載波以相同的間隔均勻地分布于整個(gè)載波帶寬內(nèi)。上圖中的綠線從左到右分別是副載波1、2、3和4。如果我們只考察左邊的兩個(gè)副載波(1和2)，可以考慮RF器件中的任意IMD3失真引起的三階IMD分量。三階失真表現(xiàn)為這兩個(gè)副載波兩側(cè)的低電平副載波，兩個(gè)“綠色”副載波左邊的第一個(gè)“紅色”失真分量是這兩個(gè)副載波的IMD3失真結(jié)果。

來(lái)自副載波1和3的IMD3分量在與載波1間距相同的頻率處具有IMD3失真分量。這在載波頻譜的左邊產(chǎn)生第二個(gè)“紅色”IM分量。同樣，來(lái)自副載波1和4的IMD3生成的失真分量距離載波邊緣更遠(yuǎn)。

注意這里還存在其它的IMD分量。副載波2和4產(chǎn)生的IM3分量直接疊加在副載波1和2產(chǎn)生的IMD分量上。這一累加效應(yīng)會(huì)使距離RF載波邊緣較近的IMD分量的幅值比距離RF載波邊緣較遠(yuǎn)的IMD分量高，產(chǎn)生ACLR失真頻譜中的“肩”特性。

這種方法可以定量地預(yù)測(cè)單獨(dú)的IMD3失真分量的實(shí)際電平。通過(guò)增加模型中所使用的單獨(dú)的副載波的數(shù)量可以增加模型的精度。多個(gè)寬帶載波的ACLR性能與該模型中的ACLR非常像，模型中每個(gè)單獨(dú)的寬帶載波占據(jù)總的寬帶載波帶寬的一部分。在寬帶載波的相鄰部分，鄰近最后一個(gè)載波的單載波的ACLR處于IMD3引起的失真響應(yīng)的高肩位置。這導(dǎo)致多載波情形的ACLR比單載波系統(tǒng)的ACLR差得多。再次說(shuō)明，這一結(jié)果可以量化后用以精確預(yù)測(cè)單寬帶載波或多寬帶載波的ACLR性能。

寬帶載波的ACLR通過(guò)一個(gè)校正因數(shù)與雙音IMD3性能相關(guān)。該校正的存在是由于IMD3性能造成了ACLR性能惡化。這種惡化來(lái)源于由擴(kuò)頻載波的頻譜密度組成的各種互調(diào)分量的影響。ACLR與IMD3的有效關(guān)系如下所示：

ACLRn≈IMD3+Cn

其中Cn如下表所示：

六、放大器測(cè)試

你可以測(cè)量發(fā)射信號(hào)的鄰道功率比（ACPR）來(lái)確定該發(fā)射器的整體性能。你也可以測(cè)量發(fā)射器或射頻（RF）系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)組件。 ?下圖展示了如何使用信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀來(lái)檢測(cè)功率放大器的性能。信號(hào)發(fā)生器提供調(diào)制射頻信號(hào)，頻譜分析儀則測(cè)量鄰道功率比（ACPR），以查看在放大器輸出端鄰道功率比（ACPR）下降了多少。檢測(cè)到的任何性能下降都是由放大器引入的失真所導(dǎo)致的。?

功率衰減器將來(lái)自放大器的信號(hào)電平降低到頻譜分析儀能夠處理的水平，同時(shí)起到保護(hù)頻譜儀不被大信號(hào)損壞的作用。當(dāng)然，頻譜分析儀還可以測(cè)量信號(hào)的其他參數(shù)，這些參數(shù)有助于你評(píng)估放大器的整體性能。

總結(jié)：

信道功率、占用帶寬、鄰道功率比（ACPR/ACLR）及互調(diào)失真（IMD）共同構(gòu)成射頻系統(tǒng)頻譜特性的核心評(píng)估體系。ACLR與ACPR雖在定義側(cè)重上略有差異，但均用于量化主信道功率泄漏至鄰道的程度，是頻譜合規(guī)性與發(fā)射機(jī)線性度的關(guān)鍵指標(biāo)。

放大器非線性導(dǎo)致的IMD3產(chǎn)物直接惡化ACLR，且多載波場(chǎng)景下頻譜密度疊加效應(yīng)進(jìn)一步加劇鄰道干擾。通過(guò)頻譜分析儀對(duì)放大器ACPR的實(shí)測(cè)驗(yàn)證，可精準(zhǔn)定位非線性失真源，為優(yōu)化發(fā)射鏈路性能提供量化依據(jù)。未來(lái)需結(jié)合多載波ACLR建模與動(dòng)態(tài)IMD補(bǔ)償技術(shù)，以應(yīng)對(duì)高頻段、大帶寬場(chǎng)景下的頻譜效率挑戰(zhàn)。