大信号极化调制系统中的放大器失真性能测量

概要

这篇文档谈到了一种测量大信号极化调制系统（LSPM）中放大器失真的方法。

首先，AM-AM和AM-PM失真的定义被作了详细的说明。接着文中谈到了使用矢量网络分析仪测量放大器失真的具体步骤。

在测量中用到的一个自动测试程序也会被介绍到。通过这个测试程序，能够采集测试结果，并对结果进行初步的分析。

另外，对在测试中使用的脉冲信号测量和触发模式下面的测量技术，也进行了阐述。

关键字

AM: AmplitudeModulation

PM:Phase Modulation

LSPM:Large Signal Polar Modulation

P2RM: Polaris2 Radio Module (RFMD RF chipsets)

VNA:Vector Network Analyzer

Vramp: Burst voltage signal from DAC tocontrol GSM PA output power

GPIB:General Purpose Interface Bus

GSM: Global System for Mobilecommunication

EDGE: Enhanced Data rate for GSM Evolution

理论背景

大信号极化调制LSPM

LSPM主要有下面的好处：

- 通过对非恒定包络信号使用饱和放大器，节省~20 – 25% 能量。

- 相比于某些直接上变频EDGE系统，LSPM在发射路径上不需要使用声表滤波器，从而节省了成本。

LSPM系统中首先对信号进行预失真处理，从而补偿了饱和放大器带来的非线性失真。这些使饱和放大器运用于非恒定包络调制成为现实。

在这个系统里面，放大器的失真性能是整个系统失真的重要来源。由此，对放大器的失真性能测量是一个非常重要的工作。

下面是RFMD P2RM模块里面采用的发射机架构。

Figure1 – Large SignalPolar Modulation

放大器的失真

在LSPM系统里面，饱和的放大器的两种失真需要考虑到。一个是AM-PM 失真，另外一种是AM-AM失真。

饱和放大器的非线性来自于它采用了很低的偏置点，同时具有很高的效率。AM-PM 定义为放大器输入控制电压（Vramp）和放大器的S21传输参数中相位变化的关系函数。因为一定的Vramp电压对应着一定的输出功率，所以AM-PM也可以定义为输出功率和相位变化的关系函数。

Figure 2 显示了AM-PM 失真的数据。

Figure 2 AM-PM Pre-distortion

从上图不同颜色曲线可以看出，LSPM系统里面的放大器，在不同的输入驱动电平和不同的温度下， Φ(out)随Pout 的关系也在变。对于放大器的设计师来说，一个很重要的设计目标就是保证AM/PM 的平坦性和随温度电压变化的稳定性。在PA的设计和验证过程中，测试各种条件下的AM/PM指标是一个经常要做的工作。

AM/AM 的定义是输入控制电压（Vramp）和输出功率的转换关系函数。Figure3显示了AM-AM 失真的数据。我们可以将输出功率的单位采用dBm，也可以是V。这是因为在一定的负载阻抗下，功率和电压有固定的换算关系。

Figure 3 AM-AM Pre-distortion

LSPM系统的放大器将会工作在Vout vs.Vramp的非线性区域。

在下一章节中，将会谈到如何测试AM-PM 和AM-AM 。

测量和分析

脉冲射频信号

大部分的GSM/EDGE功率放大器并不是在100%占空比下工作的。因此，如果我们用100% 占空比下来测量这种放大器，并不能满足放大器真实的工作条件。同时，如果在100%占空比下测试放大器，很可能导致放大器过热，损坏器件。

因此脉冲信号测量技术在这里被使用到了。在这里谈到的测量方法里面，放大器将会工作在1/8 占空比。

对于脉冲信号的测量，矢量网络分析仪的测量需要严格的和放大器的工作时间对齐，这样才能测试到有用的信号。由此用到了触发测量技术。

触发测量

这个实验用到了Agilent E5071B 。(E5071B 是属于Agilent公司的ENA系列。)

在这种仪表中，有2种触发响应事件。一种是触发扫描（on Sweep），另外一种是触发单点（on Point）。通常的测试中，网络分析仪是工作在触发扫描的模式下面的。它的意思是从每次触发开始，网络分析仪在设定的整个频段内开始扫描。

这个测试用到的触发信号是放大器的使能信号，周期约为5ms，持续时间为一个GSM正常突发577uS。

网络分析仪不可能在577uS内完成一次全频段的扫描，所以这里采用触发单点（on Point）的模式进行测量。在收到一次触发后，网络分析仪只测量一个扫描频点在特定时间点的性能。这种测量方法的关键是网络分析仪需要适当的触发延迟，以便保证准确的在GSM突发信号中间进行测量。

设置网络分析仪的步骤：

1． 设置网络分析仪的触发源为外部触发。

2． 设置网络分析仪的触发事件trig on Point。

3． 手动设置网络分析仪的触发延迟时间，使网络分析仪在GSM/EDGE突发功率的中间点开始测量。

第三个步骤设置非常重要。如果设置的不准确，那么网络分析仪可能在放大器的关闭或者不稳定状态下进行了数据采集，这样测量的结果不准确。

搭建测量系统

为了验证上面的测量方法，我们选用了RFMD公司的RF3161极化模式EDGE放大器作为被测对象。下面是测试系统的架构图.

Figure 4 Test Set-up

AWG430是一个任意波形发生器，端口1输出作为触发源和放大器的使能信号源，端口2是放大器的功率控制电压输入（Vramp）。通过编程的方式，控制AWG430输出不同大小的Vramp信号，从而控制PA的输出功率。

Figure 5 显示的是放大器的控制信号和网络分析仪的触发信号。黄色线表示放大器的使能信号，同时也是触发源。绿色线表示Vramp信号。

Figure 5 PA Control Logic

网络分析仪端口1提供放大器的输入射频功率，端口2作为接收机使用。扫描范围设定为880MHz 到 915MHz。所有在网络分析仪上面显示的轨迹信息都会被记录下面，通过GPIB线输送到电脑的电子表格。

功率计用来校准网络分析仪端口1的输出功率。网络分析仪能够精确测试被测件的传输和反射参数，但是如果没有配备特殊的选件，它无法精确测量绝对输出功率。

在这个测量系统里面，放大器的输入功率加上网络分析测量到的放大器增益，从而得到了放大器的输出绝对功率。

计算机是整个测试系统的控制器。在它的控制下，整个测量步骤是这样的：

1． AWG430输出指定大小的Vramp电压。

2． 网络分析仪完成在指定频率范围内的扫描。每一个扫描点都是在AWG430的触发控制下，只在GSM/EDGE信号的中心时间点进行的。

3． GPIB线将网络分析仪的测量数据传输到电子表格中。

4． 重复进行步骤1，改变Vramp电压的大小，继续进行测试和数据采集。

5． 所有的Vramp电压点测试完成后，计算机自动对采集到的数据进行分析整理。

一个3 dB 衰减器被放置在网络分析仪端口1和放大器输入之间，保证良好的阻抗匹配。一个20 dB 衰减器放置在放大器输出和网络分析仪端口2之间，以便保证良好的阻抗匹配和避免网络分析仪被过大的射频功率损坏。所有这些衰减器和电缆带来的误差在做网络分析双端口校准的时候，会被网络分析仪自动补偿。

失真测量

Figure6 VNA Test Plot

Figure 6显示了网络分析仪上的数据。这些数据都是S21传输参数，黄色线为对数幅度（LogMag）格式，蓝色线为相位（Phase）格式。幅频响应和相频响应数据都可以收集到。当放大器的Vramp控制电压在变化，这些测量数据也作相应的变化。

数据分析

所有从网络分析仪得到的数据将会传输到电子表格中。一个简单的VB程序将会自动对数据进行分类排序，并绘制出相应的图形。 Figure 7 显示的是根据采集到的数据绘制出的Vramp和 Pout关系图，就是AM-AM 失真。 Figure 8 显示了输出功率和相位的关系图，就是AM-PM失真。

Figure7 Pout vs. Vramp

Figure 8 Phase vs. Pout

这个测量能够得到每一个频率点的AM-AM和AM-PM的数据。通过设置网络分析频率扫描点，可以灵活的调整被测试的频率点多少。

这些数据表现了放大器的失真性能，可以用它来验证放大器设计是否满足要求。

结论

本文谈到了一种非常易于实现的GSM/EDGE放大器失真测量方法。同时自动测试程序的使用也让大量的数据采集和重复多次测量变得简单，对多种条件下的测试数据进行图形化分析也很方便。

当然，不仅仅限于AM-AM和AM-PM失真测试，文中演示的方法也可以用来测量更多的放大器信息，比如输入阻抗，输入驻波比等等。

附件一：Final Test Bench

整个测试台显示如下：

Figure 9 – Photo of theentire bench test of the circuit

附录2：编程示例

Figure 10 – Test program

写到最后的话

本文原创作于2007年秋，于北京。

英文版本出版于microwave product digest，2008年2月。