芯耀
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諧波失真（Harmonic Distortion）是指當(dāng)一個(gè)正弦信號(hào)通過非線性器件或系統(tǒng)時(shí)，輸出信號(hào)中除了原始輸入信號(hào)（基波）的頻率成分外，還產(chǎn)生了頻率為基波頻率整數(shù)倍的新信號(hào)成分，這些新產(chǎn)生的信號(hào)成分就被稱為諧波，而諧波的存在導(dǎo)致輸出信號(hào)偏離了理想的正弦波形，這種現(xiàn)象即為諧波失真。
從數(shù)學(xué)角度來看，假設(shè)原始輸入的正弦信號(hào)為 x(t) = A*sin(wt)，經(jīng)過非線性系統(tǒng)后，輸出信號(hào)y(t) 可以表示為一個(gè)包含基波和各次諧波的傅里葉級(jí)數(shù)形式：
其中，n = 1 對(duì)應(yīng)基波，n = 2,3,... 對(duì)應(yīng)二次諧波、三次諧波等更高次諧波，An是第 n次諧波的幅值，φn是第 n 次諧波的相位。
諧波失真通常用總諧波失真（Total Harmonic Distortion，簡(jiǎn)稱 THD）來量化，它是所有諧波成分的功率總和與基波功率之比，一般以百分比形式表示，公式為：
No.1 諧波失真在射頻系統(tǒng)中的影響
1.1，信號(hào)干擾與頻譜污染
在射頻通信系統(tǒng)中，各個(gè)信道都被分配了特定的頻率范圍。當(dāng)諧波失真產(chǎn)生時(shí)，高次諧波的頻率會(huì)落在其他信道的頻率范圍內(nèi)，從而對(duì)這些信道的信號(hào)造成干擾。例如，在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，如果基站發(fā)射機(jī)存在較大的諧波失真，其產(chǎn)生的諧波可能會(huì)干擾到相鄰頻段的其他通信服務(wù)，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，出現(xiàn)通話中斷、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤等問題 。同時(shí)，諧波的存在還會(huì)造成頻譜污染，使得原本干凈的射頻頻譜變得雜亂無章，影響頻譜資源的有效利用。
1.2，降低系統(tǒng)線性度與動(dòng)態(tài)范圍
射頻系統(tǒng)的線性度是衡量系統(tǒng)在不同輸入信號(hào)幅度下，輸出信號(hào)能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的能力。諧波失真的出現(xiàn)表明系統(tǒng)存在非線性特性，這會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的線性度。當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，非線性器件產(chǎn)生的諧波會(huì)使輸出信號(hào)產(chǎn)生畸變，無法準(zhǔn)確反映輸入信號(hào)的信息。此外，諧波失真還會(huì)壓縮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，使得系統(tǒng)能夠正常工作的輸入信號(hào)幅度范圍變小。在一些對(duì)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如雷達(dá)系統(tǒng)、高精度測(cè)量系統(tǒng)中，諧波失真帶來的影響尤為顯著，可能導(dǎo)致目標(biāo)檢測(cè)錯(cuò)誤、測(cè)量精度下降等問題。
1.3，影響系統(tǒng)性能指標(biāo)
諧波失真會(huì)直接影響射頻系統(tǒng)的多項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。對(duì)于發(fā)射機(jī)而言，諧波失真會(huì)降低發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量，導(dǎo)致發(fā)射功率的利用率降低，同時(shí)增加鄰道干擾功率比（ACPR），使得信號(hào)在相鄰信道產(chǎn)生過多的干擾，不符合通信標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)于接收機(jī)來說，諧波失真會(huì)引入額外的噪聲和干擾，降低接收機(jī)的靈敏度和選擇性，使得接收機(jī)難以準(zhǔn)確接收和處理有用信號(hào)，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的通信距離、誤碼率等性能指標(biāo)。
No.2 避免諧波失真的方法
2.1， 合理設(shè)計(jì)射頻電路
選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)射頻電路時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的電路拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)。例如，采用平衡式電路結(jié)構(gòu)可以有效地抑制偶次諧波的產(chǎn)生。平衡式放大器、平衡混頻器等電路通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，使得偶次諧波在電路中相互抵消，從而降低諧波失真。優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)良好的匹配網(wǎng)絡(luò)能夠確保信號(hào)在射頻系統(tǒng)中的高效傳輸，減少信號(hào)反射，降低非線性失真。通過合理設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，如電感、電容的值，使源阻抗和負(fù)載阻抗與傳輸線特性阻抗相匹配，可以提高系統(tǒng)的線性度，減少諧波的產(chǎn)生。
2.2 選用高質(zhì)量的射頻器件
低失真器件選擇具有低諧波失真特性的射頻器件是避免諧波失真的關(guān)鍵。例如，在放大器的選擇上，應(yīng)優(yōu)先選用線性度好、諧波失真低的功率放大器，如一些采用先進(jìn)工藝制造的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）放大器。這些器件在設(shè)計(jì)和制造過程中，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和材料特性，能夠有效降低非線性失真。高線性度器件對(duì)于混頻器、濾波器等其他射頻器件，也應(yīng)選擇高線性度的產(chǎn)品。高線性度的混頻器可以減少變頻過程中產(chǎn)生的諧波，而性能優(yōu)良的濾波器能夠有效抑制帶外諧波，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。
2.3 采用線性化技術(shù)
預(yù)失真技術(shù)預(yù)失真技術(shù)是在射頻信號(hào)進(jìn)入非線性器件之前，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)先處理，使其產(chǎn)生與非線性器件相反的失真特性。通過精確調(diào)整預(yù)失真器的參數(shù)，可以補(bǔ)償非線性器件產(chǎn)生的諧波失真，提高系統(tǒng)的線性度。預(yù)失真技術(shù)可以采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，也可以利用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，后者具有更高的靈活性和精度。反饋技術(shù)反饋技術(shù)是將射頻系統(tǒng)的輸出信號(hào)部分反饋到輸入端口，與原始輸入信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，以減小諧波失真。常見的反饋技術(shù)包括電壓反饋和電流反饋，通過合理設(shè)計(jì)反饋網(wǎng)絡(luò)，可以有效地改善系統(tǒng)的線性性能。前饋技術(shù)前饋技術(shù)是一種較為復(fù)雜但高效的線性化技術(shù)。它通過檢測(cè)非線性器件產(chǎn)生的失真信號(hào)，并在輸入信號(hào)中加入一個(gè)與失真信號(hào)大小相等、相位相反的補(bǔ)償信號(hào)，從而在輸出端消除諧波失真。前饋技術(shù)對(duì)電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試要求較高，但能夠?qū)崿F(xiàn)較高的線性度改善效果。
2.4 良好的系統(tǒng)布局與屏蔽
合理布局在射頻系統(tǒng)的電路板設(shè)計(jì)中，合理的布局至關(guān)重要。應(yīng)將高頻信號(hào)路徑與低頻信號(hào)路徑分開，避免相互干擾；將敏感的射頻器件與功率較大的器件保持一定的距離，防止功率器件產(chǎn)生的諧波干擾到其他器件。同時(shí)，合理規(guī)劃地線布局，減少地環(huán)路干擾，降低諧波失真的產(chǎn)生。屏蔽措施對(duì)射頻系統(tǒng)進(jìn)行良好的屏蔽可以防止外界電磁干擾進(jìn)入系統(tǒng)，同時(shí)也能阻止系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的諧波輻射到外部環(huán)境。采用金屬屏蔽罩對(duì)射頻模塊進(jìn)行屏蔽，并確保屏蔽罩良好接地，可以有效減少電磁干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
