1、Network Analyzer Basics 1微波通信中的非線性微波通信中的非線性及補(bǔ)償技術(shù)及補(bǔ)償技術(shù)2003.11Network Analyzer Basics 2003主要內(nèi)容主要內(nèi)容 放大器非線性的表示方法 非線性指標(biāo)的幾種定義 非線性指標(biāo)的測(cè)量 微波功率放大器的線性改善措施 自適應(yīng)發(fā)信功率電平控制與自動(dòng)電平控制Network Analyzer Basics 2003非線性對(duì)微波傳輸系統(tǒng)的影響 在小容量的數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)中，對(duì)頻譜利用率要求不高，一般采用4PSK的恒包絡(luò)調(diào)制信號(hào)。這種調(diào)制方式對(duì)傳輸系統(tǒng)的非線性失真不敏感。在大容量的數(shù)字傳播系統(tǒng)中，為了提高頻譜利用率，通常采用64QAM

2、、128QAM等多電平正交調(diào)制方式。使用這些調(diào)制方式時(shí)對(duì)系統(tǒng)的非線性特性提出非常嚴(yán)格的要求。 系統(tǒng)的非線性主要取決于系統(tǒng)的有源部件，如變頻器、功率放大器等。Network Analyzer Basics 2003放大器非線性的表示方法(1)對(duì)圖中所示的非線性可用一個(gè)無(wú)窮多項(xiàng)的冪級(jí)數(shù)來(lái)逼近 ui uo 信道的非線性0)()(nninotuatuuo(t) 、ui(t)分別為信道的輸出和輸入信號(hào)，an是非線性模型的各項(xiàng)系數(shù)，一般為復(fù)數(shù)，由放大器決定.略去直流項(xiàng)，并取模型中的前三項(xiàng)來(lái)逼近信道)()()()(33221tuatuatuatuiiioNetwork Analyzer Basics 200

3、3放大器非線性的表示方法(2)設(shè)放大器的輸入信號(hào))cos()(tAtui則輸出信號(hào)tAatAatAaAaAattAatAatAatAatAatAatuo3cos42cos2)cos()43(2)3cos3cos3(4)2cos1 (2)cos()(cos)(cos)cos()(332233122332213332221考慮非線性特性的基波電壓增益為)43log(20231AaaGNetwork Analyzer Basics 2003放大器非線性的表示方法(3)再假設(shè)輸入信號(hào)為兩個(gè)不等頻率的正弦信號(hào))cos()cos()(2211tAtAtuitAAaAaAatAAaAaAa221233232

4、1122133131121cos)2343(cos)2343(,tAAatAAa)cos()cos(212122121221tAAatAAa)2cos(43)2cos(43221221321221321tAAatAAa)2cos(43)2cos(43212122312122312Network Analyzer Basics 2003放大器非線性的表示方法(4) 1 2 1 2 22-1 32-21 42-31 41-32 31-22 21-2 Network Analyzer Basics 2003系統(tǒng)非線性增益壓縮(1)從 可以看出，一個(gè)非線性系統(tǒng)的輸出nth諧波的幅度包含一個(gè)比例于An的

5、項(xiàng)和一個(gè)A的高次項(xiàng)，在輸入信號(hào)的幅度比較小的情況下，可忽略掉高次項(xiàng)。這樣nth諧波的幅度比例于An 1dB 20logAout 20logAin A-1dB P1dB壓縮點(diǎn)Network Analyzer Basics 2003非線性的幾種定義增益壓縮(2)P1dB壓縮點(diǎn)的定義當(dāng)輸入信號(hào)的增加1dB，而放大器的實(shí)際輸出與線性輸出相比降低1dB的輸出功率。1log2043log2012131aAaadB311145. 0aaAdBNetwork Analyzer Basics 2003系統(tǒng)非線性信號(hào)靈敏度降低(Desensitization)和阻塞(Blocking) 若輸入的信號(hào)中除所希望的弱

6、信號(hào)外，還有很強(qiáng)的干擾信號(hào)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)靈敏度降低和阻塞現(xiàn)象，好像是好像是強(qiáng)干擾信號(hào)使弱信號(hào)信道阻塞。設(shè)輸入信號(hào)為 )cos()cos()(2211tAtAtuiA2遠(yuǎn)大于A1)cos(2343)()()()(122133131133221tAAaAaAatuatuatuatuiiio則輸出信號(hào)為因?yàn)锳2遠(yuǎn)大于A1)cos(23)(1221311tAAaAatuo 隨著干擾信號(hào)的強(qiáng)度的增加，系統(tǒng)相對(duì)于弱信號(hào)的增益在降低，當(dāng)干擾信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，增益幾乎接近于零，信號(hào)處于阻塞狀態(tài)。Network Analyzer Basics 2003系統(tǒng)非線性交叉調(diào)制(Cross Modulation)

7、當(dāng)輸入的信號(hào)中除所希望的弱信號(hào)外，還有很強(qiáng)的干擾信號(hào)時(shí)，若系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，則會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)的幅度調(diào)制弱信號(hào)的現(xiàn)象。如果干擾信號(hào)是一個(gè)調(diào)幅信號(hào) ttmAm22cos)cos1 ()cos(cos22cos22123)(122221311ttmtmmAAaAatummo則所希望的輸出信號(hào)中含有幅度調(diào)制分量tm2costmcos放大器要同時(shí)處理多個(gè)獨(dú)立的信道，如CATV發(fā)射機(jī)全雙工CDMA系統(tǒng)要求系統(tǒng)的LNA具有卓越的線性特性Network Analyzer Basics 2003系統(tǒng)非線性交(互)調(diào)分量 當(dāng)兩個(gè)不同頻率的信號(hào)加入到一個(gè)非線性系統(tǒng)的輸入端時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)頻率的多次組合分量(m1n

8、2)，產(chǎn)生交調(diào)現(xiàn)象。 ttAtui21cos()cos()(.2cos2cos432cos2cos43coscos49)(21123312213321231ttAattAattAaaAtuONetwork Analyzer Basics 2003三階交(互)調(diào)分量當(dāng)m=2、n=1或m=1、n=2時(shí)交調(diào)產(chǎn)物為三階交互調(diào)。如果1與 2比較接近時(shí)，會(huì)在1與 2的附近產(chǎn)生三階交調(diào)分量21 - 2和22- 1 1 2 1 2 21-2 22-1 干擾信號(hào) Network Analyzer Basics 2003三階交調(diào)系數(shù)定義為IM3= 21 - 2和22- 1的幅度 基波1或 2的幅度利用公式若21

9、- 2和22- 1的幅度為-40dBm基波1或 2的幅度為-17dBm IM3=-23dBc231233943log20AaaAaIM實(shí)際上的估算公式其中PO為實(shí)際使用值dBcPPIMdB75.2322103Network Analyzer Basics 2003三階交調(diào)截獲點(diǎn)IP3 1dB 20logAout 20logAin IIP3 1 1 3 1 OIP3 20log(a1A+9/4 a2A3) 20log(3/4a3A3) 若兩正弦信號(hào)的幅度為 A IP3的定義 基頻分量的特性延長(zhǎng)線與三階交調(diào)分量的特性延長(zhǎng)線的交點(diǎn)三階交調(diào)截獲點(diǎn)IP3。所對(duì)應(yīng)的輸出功率為輸出三階交調(diào)截獲點(diǎn)功率OIP3

10、，所對(duì)應(yīng)的輸入功率為輸入三階交調(diào)截獲點(diǎn)功率IIP3。Network Analyzer Basics 2003A-1dB與AIP3的關(guān)系如果a1A遠(yuǎn)大于9a3A3/431343aaAIP311145. 0aaAdBdBAAIPdB6 . 975. 0145. 031 1dB 20logAout 20logAin IIP3 1 1 3 1 OIP3 20log(a1A+9/4 a2A3) 20log(3/4a3A3) 若兩正弦信號(hào)的幅度為 A 33143AaAaNetwork Analyzer Basics 2003IIP3與IM3的關(guān)系(1)若忽略高次項(xiàng),則基波的功率可寫(xiě)為inoPGAaP121

11、1)(21三階互調(diào)信號(hào)的輸出功率可寫(xiě)為332333)43(21inoPGAaP)log(10log10)(11inoPGdBPinoPGdBPlog30log10)(33Network Analyzer Basics 2003IIP3與IM3的關(guān)系(2)已知放大器的IIP3，我們知道在IIP3處則有031PPo23133311)IIP3()IIP3(IIP3GGGPGPoo根據(jù)IM3的定義，)( 32)(2)( 3) 3(IM322133dBmIIPdBmPdBIMIIPPPGPGininininNetwork Analyzer Basics 2003例已知一放大器的三階互調(diào)截點(diǎn)IIP3為30

12、dBm。求當(dāng)輸入功率為10 dBm時(shí)，放大器的三階互調(diào)系數(shù)IM3。dBcdBmIIPdBmPdBIMin40302102)( 32)(2)( 3Network Analyzer Basics 2003級(jí)聯(lián)非線性網(wǎng)絡(luò)的IP3(1) ui(t) u1(t) u2(t) )()()()()()()()(313212112332211tututututuatuatuatuiii.)()2()()()()()()()()()()()(33322113113332213233221233221121tuaaaatuatuatuatuatuatuatuatuatuatuatuiiiiiiiiiii33122

13、123113243aaaaaAIIPNetwork Analyzer Basics 2003級(jí)聯(lián)非線性網(wǎng)絡(luò)的IP3(2)22,2112221 ,113312212323333812341IIPIIPIIPAaaAaaaaaA如果每級(jí)是窄帶信號(hào)，二次方項(xiàng)產(chǎn)生的和頻、差頻、倍頻及三次方產(chǎn)生的三次諧波均被濾除。22,2121 ,233311IIPIIPIIPAaAA21133131IIPGIIPIIP23 ,212122,2121 ,2333311IIPIIPIIPIIPAaAaAA221211333131IIPGGIIPGIIPIIP對(duì)更多級(jí)數(shù)Network Analyzer Basics 200

14、3級(jí)聯(lián)非線性網(wǎng)絡(luò)的IP3(3) 結(jié)論結(jié)論 多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的三節(jié)湖調(diào)節(jié)火電輸入功率小于每一級(jí)的三階交調(diào)截獲電輸入功率，由于進(jìn)入后級(jí)的輸入信號(hào)是經(jīng)過(guò)前面各級(jí)的放大，因此要求后一級(jí)的線性范圍就更大。Network Analyzer Basics 2003AM-AM和AM-PM轉(zhuǎn)換 AM-AM和AM-PM轉(zhuǎn)換分別指由于新道非線性引起輸出信號(hào)幅度和相位的變化。 當(dāng)輸入信號(hào)是Acost時(shí)，輸出基波信號(hào)是 考慮到信道電感與電容分布參數(shù)的影響，a1、a3應(yīng)是復(fù)數(shù)。 為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，令a1的相位為零， a3的相位為， 則基波信號(hào)可表示為 可以把上式寫(xiě)為 其中tAaAacos)43(331teAaAajcos)

15、43(331)(cos)(AtAg2332331)sin43()cos43()(aAaAAaAgcos43sin43)(331331AaAaAatgANetwork Analyzer Basics 2003微波功率放大器的線性改善 使用PSK或16QAM方式的數(shù)字微波系統(tǒng)對(duì)功率放大器的要求較低，通常其輸出功率為P1dB即可。此時(shí)的交調(diào)系數(shù)約為20dB左右。但在64QAM以上的多進(jìn)制QAM系統(tǒng)中，對(duì)非線性的指標(biāo)要求很高，IM3為3040dB左右。 為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的IM3，在采用線性放大器的基礎(chǔ)上還需要采取一些線性化措施：如功率回退法、中頻或微波畸變法、前饋法、自適應(yīng)基帶預(yù)畸變法。Network Analyzer Basics 2003改善措施1功率回退法(1)就是將線性輸出功率從P1dB降低610dB。根據(jù) 輸出功率在P1dB的基礎(chǔ)上每降低1dB，IM3就降低2dB。例：假如輸出功率為40dBm對(duì)應(yīng)的IM3為-20dBc若實(shí)際輸出功率為30dBm，則IM3為-40dBc。即功率倒退10dB，IM3改善了20dB。功率倒退法是一種最簡(jiǎn)單、最可靠的線性化措施功率倒退法是一種最簡(jiǎn)單、最可靠的線性化措施Network Analyzer Basics 2003改善措施1功率回退法(2) 功率倒退法的缺點(diǎn)是犧牲了輸出功率。 為了