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CDMA射频功率放大器中ACPR的测量

摘 要 在放大器的设计中，相邻信道功率比是衡量CDMA 放大器非线性特性的一个重要参数。本文首先给出相邻信道功率比的定义，介绍了它的计算方法，然后讨论几种实用的测量方法：功率密度比值法，分辨带宽法和积分带宽法，提出了实际应用中的几点要求，并比较了它们各自的优缺点。最后指出了对测量仪器的要求。
关键词 相邻信道功率比 积分带宽 分辨带宽 视频带宽 累积概率分布函数

Abstract In the design of an amplifier, the Adjacent-channel power ratio (ACPR) is a very important parameter to assess the non-linearity performance of CDMA amplifier. In this paper, we first introduce the definition of ACPR and the way to calculate it. Then, we discuss several practical measurements: the power density ratio method, the integration bandwidth (IBW) method and the resolution bandwidth (RBW) method. The notices that we must take care of are provided. And the advantages and disadvantages of these methods are compared. At the end, we give the requirements of the instruments used in measurement.
Key words Adjacent-channel power ratio (ACPR); resolution bandwidth (RBW); integration bandwidth (IBW); video bandwidth (VBW)；Cumulative Distribution Function (CDF)

CDMA系统工程中，射频功率放大器是整个通信系统中的重要部件。射频功率放大器的非线性效应是系统设计中关注的一个主要问题。非线性效应会导致输出信号中包含互调失真分量，引起CDMA信号的频谱展宽，产生带外辐射功率，即频谱再生，典型的输出频谱如图1所示（设放大器增益为1）。带外辐射功率将对相邻信道的信号造成干扰，使误码率恶化，通信质量下降。因此，各种无线通信标准都对输出功率和带外辐射功率做出了严格的规定，以确保系统容量、覆盖范围及信号质量。此外，由于功率放大器的非线性，当多载波工作（即多载波CDMA）时，互调失真分量落在信号频带内，会产生互调干扰（互调噪声）。衡量带外辐射功率的指标为相邻信道功率比（ACPR—Adjacent-Channel Power Ratio），它表示发射机的能量有多少落在了其它信道的传输频带内，所考虑的信道通常是与发射通道直接相邻的信道，有时候也选用其它信道。
图1、CDMA信号的频谱再生
图2 CDMA基站ACPR的测量

1. 相邻信道功率比（ACPR）
模拟无线通信系统中，测量器件的非线性特性仅需要考虑几个离散频率的互调就足够了。一般采用1dB压缩点或三阶互调截点来评估非线性器件的失真特性，用等幅双音测量的方法来确定，越大线性程度越好。对于窄带信号，互调失真产生的频谱分量可用下式表示：

（1）
而数字无线通信系统采用了比较复杂的调制方式，由于经过了编码、滤波、正交等处理，信号的波形仅用几个离散的频率或者是一个简单的解析表达式不能很好地描述。想要得到简便准确的已调信号的表达形式，需要用概率论和随机过程理论进行分析[1]。因此，传统的等幅双音信号测量的方法，已经不能满足CDMA功率放大器非线性性能测量的需要。
CDMA信号的非线性程度通常用ACPR来表示。它的含义是：通道发射功率与相邻信道功率的比值。它是衡量CDMA放大器线性性能的一项重要指标，图2给出了PCS系统中CDMA基站的测量要求。图中发射通道为1.23MHz，通道外第一相邻信道的测试点偏离中心频率885kHz，第二邻道的测试点偏离中心频率1.98MHz。通道的发射功率为1.23MHz频带内的总能量（图2中PA所示）。相邻信道的功率为偏移频率测试点处30kHz频带内的总能量（图2中PC，PD）。则第一、第二相邻信道的ACPR分别为：
（2）
（3）
ACPR的单位为dBc。不同的通信标准对ACPR有具体的要求。例如：IS-95标准规定，在偏移发射通道中心频率750kHz处，ACPR的值为-45dBc，SP-3383提案（1996年ANSI发布于的J-STD-019 标准中）要求PCS系统基站的ACPR在偏移发射通道中心频率885kHz处为-45dBc，IS-95标准还规定在偏移发射通道中心频率1.98MHz处的ACPR为-60dBc。
2. ACPR的测量方法
ACPR测量系统如图3所示，主要由CDMA信号发生器、频谱分析仪和待测放大器组成。根据ACPR的定义关键是要测出通道内的总能量及偏移频点处规定带宽内的能量。下面给出几种常用的测量方法。
图3 ACPR测量方框图

低通
放大器
衰减器
检波器
显示器
微处
理器
IF
滤波器
LO
本振
模数
转换器

视频
滤波器
输入
放大器
混频器
图4 频谱分析仪的方框图

2.1 功率密度比值法
ACPR的值可以计算功率的比值，也可以通过计算功率密度的比值来得到。计算功率密度比值的方法是用规定偏移频率点在规定带宽内的功率密度除以发射通道中相同带宽内的功率密度，然后通过一个与信道带宽有关的归算因子算出ACPR。归算因子的计算公式如下：
（4）
以图2为例，频谱分析仪的分辨带宽（RBW）设置为30kHz，分别测出带外辐射功率PC与主通道发射功率PB，将图2中参数代入式（4）可求得归算因子为-16.13dB，所以：
（5）
这种方法的优点是简单易行，对于测量仪器的性能要求比较低。当然，这种方法的精确度不够高，测量结果的可重复性也较差，下面介绍另外两种测量方法。

2.2 积分带宽（IBW）法
IBW法是按照ACPR的定义，测出发射通道和相邻信道的功率，然后计算ACPR的值。应用IBW法时，首先要为频谱分析仪的显示宽度（Span）、分辨带宽（RBW）和视频带宽（VBW）选择合适的设置值，Span要大于测量带宽，RBW约等于测量带宽的1%，VBW不小于RBW的三倍。现代的频谱分析仪一般都具有相关的软件程序，支持对指定信道带宽内的功率进行测量，设置IBW等于测量带宽，频谱分析仪就可以自动地完成测量计算。频谱分析仪内部的程序通过对IBW内的迹线象素所代表的功率进行积分来计算整个带宽内的功率。所测带宽内的功率可用下面公式计算：
（6）
式中： 代表信道带宽内的总功率， 表示信道带宽，是频谱分析仪的分辨带宽，、 代表信道带宽边界的迹线象素编号， 代表第i个象素的电平， 表示RBW的修正因子（＝等效功率带宽）。如果频谱分析仪没有相应的软件程序，那么就需要将数据输出，在外部的计算机上编写程序完成计算。IBW法适用的频率范围很大，测量的信道带宽可达400MHz，并且具有很高的精确度。使用IBW方法有几个问题值得注意：
（1）必须合理的选择RBW，它应该不超过所测信道带宽的4%，否则频谱的分辨率太小，信道频谱的边缘部分会受到RBW滤波器频谱特性的影响。RBW也不要小于信道带宽的1%，因为频谱分析仪的扫描时间与RBW的平方成反比，所以应该折衷考虑扫描时间与精确度选择合适的RBW。对于特定的扫描间隔，最小的扫描时间为[4]：
（7）
式中是一个取决于RBW滤波器特性的系数，滤波器边缘越陡峭，其响应时间就越长，也越大。
（2）频谱分析仪的VBW一般要求比RBW小，从而可以获得平滑的频谱。在CDMA信号的测量中，要求VBW不小于RBW的三倍，以减小由视频滤波器引入的测量误差。视频滤波器对信号具有平均的效果，视频滤波器的输入信号是对数刻度的信号，所以滤波器不是对信号本身，而是对信号的对数值求平均，因此会有误差。对于类似噪声的CDMA信号，当VBW远远小于RBW时，由此引起的误差为-2.51dB。应该注意，对于连续波信号，此项误差为0dB。
（3）为了减小误差，应合理设置Span，使信道带宽内的象素数目较多。例如，如果信道带宽内只有10个象素，那么每个象素的误差都会对最终结果造成10%（或0.4dB）的影响，但是整个屏幕能显示的象素数目是有限的，一般在400到1000个之间，根据频谱分析仪的型号不同而有所不同。
（4）为减小测量误差，提高实验结果的可重复性，通常对几次测量的结果求平均值。但是应该注意，一定要对测量到的信号实际功率求平均，而不要选用视频平均功能，因为此项功能是对测量谱线的对数刻度值进行平均，对于非连续波信号会因此引入失真。
（5）由于CDMA信号具有类似噪声信号的频谱特性，为了确保信号能够被频谱分析仪准确地捕获，应采用峰值检波器。
2.3 分辨带宽（RBW）法
RBW法一般用于测量相邻信道测试点在规定带宽内的能量，采用固定调谐的零扫宽测量法。大多数的频谱分析仪能够对观察信号的缓慢幅度变化提供一种简单而有效的功能。为此，可将频谱分析仪调到有某个非零扫描时间间隔（

）的零频率间隔（即），中心频率调到所测量的偏移频率，而RBW必须足够大（一般选择与测量带宽相等），以使测量时将信号频谱的边带也包括进去。分析仪将在它的检波器和VBW以及RBW限制的范围内描绘出信号幅度相对于时间的关系。所测信道带宽内的功率可用下面的公式进行计算：
（8）
式中代表信道带宽内的总功率， 表示信道带宽，是频谱分析仪的分辨带宽， 代表第i个象素的电平， 表示RBW的修正因子（＝等效功率带宽），表示在显示时间记录轴上的点数， 表示第i个象素代表的信号电平。RBW法相关的计算同样既可以选择频谱分析仪的相应功能在内部完成，也可以将数据输出在外部的计算机内编程实现。
RBW法最大的优点是测量速度快。例如，测量CDMA基站放大器，在偏移频率885kHz处信道带宽为30kHz。采用IBW法，频谱分析仪的RBW约为信道带宽的1%，而采用RBW法，频谱分析仪的RBW应该与信道带宽大致相等。由公式（3）可以算出，RBW法所需的扫描时间约为IBW法的万分之一。与IBW法一样，频谱分析仪的VBW也要不小于RBW的三倍，多次测量求平均值时，同样不要选用频谱分析仪的视频平均功能。RBW法的缺点是只有当信道带宽与频谱分析仪内部的RBW相近时，才能够获得比较精确的测量结果，并且测量结果的精确度还与信号的包络有关，特别是信号包络的曲率，当信号幅度变化较快时，测量结果的精确度明显下降。
3. 测量所采用的仪器
ACPR测量采用的仪器为CDMA信号发生器和频谱分析仪。
3.1 频谱分析仪
对于CDMA信号的测量，目前存在两种经常采用的不同结构：扫频频谱分析仪和FFT分析仪（也称为动态信号分析仪）。两者各自的优点体现在不同的测试内容上。针对发射通道和相邻信道内的功率测量，FFT分析仪具有卓越的准确度，并且速度较快；而在测量频带内、外的谐波分量以及寄生发射时，扫频频谱分析仪具有极好的动态范围。在低频段，扫频频谱分析仪已逐渐被FFT分析仪取代，但在射频和更高的频率范围，扫频分析仪仍然是占优势的技术。
扫频频谱分析仪的工作原理是将射频信号下变频为频率较低的中频信号，经滤波后送到检波器，检波器产生与中频信号的幅度成正比的直流信号，此直流信号经视频滤波、模/数转换后，送到显示器显示出来。扫频频谱分析仪的简化方框图如图4所示。检波器可能有几种不同的类型，但通常采用峰值检测器。为了获得足够大的动态范围，检波器之前有一个对数放大器，它按照对数函数来压缩信号电平。频谱分析仪首先必须能够满足测量要求的频率范围、精确度、动态范围等性能参数。另外仪器应该便于操作使用，所需测量时间较短。对于测量结果的计算，可以将测量数据输出，在外部的计算机上编程实现。如果频谱分析仪具有专门的软件程序，那么用户不必自己编程就可以简化复杂的测量计算。
3.2 信号发生器
激励信号的不同会对ACPR的测量产生很大的影响。有资料[2]表明，由于激励信号的不同ACPR的变化可达17dB，激励信号幅度的分布特性可以用概率论中的累积概率分布函数[3]（CDF—Cumulative Distribution Function）来描述。图5给出了几种激励信号的CDF，曲线表示某激励信号的抽样值大于平均值x dB时的概率。例如，图5中的加性高斯白噪声（AWGN），其抽样的电平大于平均电平9.1dB的概率为0.1%，这会引起一定程度的相邻信道干扰。从图5可以得出结论，AWGN作为激励信号测量ACPR的结果最佳（导频信道和反向信道仅作为比较，不适合作为激励信号）。但是，噪声信号不能准确模拟实际工作情况。IS-97 标准规定，模拟CDMA信号的九信道模型中应包含：导频信道、同步信道、寻呼信道和六个业务信道，且信道满足规定的功率要求。此外，CDMA激励信号选用不同的沃尔什（Walsh）序列调制信道的组合，对于ACPR的测量结果也有影响，如图6所示。

信号发生器要能够产生满足标准要求的CDMA激励信号，包括对测量信号的调制方式，符号速率，功率电平等参数的要求。CDMA信号的波峰因数（信号包络电平峰值与平均值的比值）变化范围很大，可达14-15dB以上，因此要求测量采用的激励信号也应该具有相同的特性。另外，为了能够满足各通信标准对频谱再生的严格要求，信号发生器必须具有良好的相邻信道功率特性，即CDMA激励信号本身的ACPR必须很小，从而使得在相邻信道内测量到的频谱分量主要是由功率放大器的非线性引起的，而信号发生器和频谱分析仪所产生的影响很小。
图6 三种含不同业务信道的9信道CDMA信号的CDF
图5 几种激励信号的CDF

4. 结论
相邻信道功率比（ACPR）是用来衡量放大器非线性特性的一项重要指标。本文介绍了ACPR测量的方法，并详细讨论了几种常用的测量方法及其优缺点。目前，第三代移动通信系统正在向产业化方向发展，而一些国家和公司正在着手开发第四代移动通信系统。研究CDMA射频功率放大器的线性化技术及其相关问题具有很高的实用价值。

参考文献

1. Kevin G. Gard, Hector M. Gutierrez, Michael B. Steer, “Characterization of Spectral Regrowth in Microwave Amplifier Based on the Nonlinear Transformation of a Complex Gaussian Process”, IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques，Vol. 47, No.7, July 1999: 1059-1069
2. Understanding CDMA Measurements for Base Station and their Components, Agilent Application Note 1311 (5968-0953E)
3. Jhong Sam Lee, Leonard E. Miller CDMA系统工程手册 北京：人民邮电出版社 2001.
4. 罗伯特·A·威特 频谱和网络测量, 北京：科技文献出版社，1997.
5. Mark Slovick, Hewlett-Packard Co. and Santa Rosa. CA, “Measuring ACPR in CDMA Amplifier”, Microwave Journal, December 1998: 76-82
6. Josef Wolf, Bob Buxton “Measure Adjacent-Channel Power With A Spectrum Analyzer”, Microwave & RF, January 1997: 55-64
7. 应鲁曲，“W-CDMA RF功率放大器线性性能的研究”，解放军理工大学学报自然科学版，Vol.2 No.5 Oct.2001：15-19
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12. （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）
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