第5章 微波系統(tǒng)的非線性及補償技術(shù)

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償技術(shù)及補償技術(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 非線性指標的幾種定義 非線性指標的測量 微波功率放大器的線性改善措施 自適應發(fā)信功率電平控制與自動電平控制Network Analyzer Basics 2003非線性對微波傳輸系統(tǒng)的影響 在小容量的數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)中，對頻譜利用率要求不高，一般采用4PSK的恒包絡調(diào)制信號。這種調(diào)制方式對傳輸系統(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)制方式時對系統(tǒng)的非線性特性提出非常嚴格的要求。 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)對圖中所示的非線性可用一個無窮多項的冪級數(shù)來逼近 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，an是非線性模型的各項系數(shù)，一般為復數(shù)，由放大器決定.略去直流項，并取模型中的前三項來逼近信道)()()()(33221tuatuatuatuiiioNetwork Analyzer Basics 200

3、3放大器非線性的表示方法(2)設放大器的輸入信號)cos()(tAtui則輸出信號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)再假設輸入信號為兩個不等頻率的正弦信號)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，一個非線性系統(tǒng)的輸出nth諧波的幅度包含一個比例于An的

5、項和一個A的高次項，在輸入信號的幅度比較小的情況下，可忽略掉高次項。這樣nth諧波的幅度比例于An 1dB 20logAout 20logAin A-1dB P1dB壓縮點Network Analyzer Basics 2003非線性的幾種定義增益壓縮(2)P1dB壓縮點的定義當輸入信號的增加1dB，而放大器的實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)非線性信號靈敏度降低(Desensitization)和阻塞(Blocking) 若輸入的信號中除所希望的弱

6、信號外，還有很強的干擾信號時，會出現(xiàn)靈敏度降低和阻塞現(xiàn)象，好像是好像是強干擾信號使弱信號信道阻塞。設輸入信號為 )cos()cos()(2211tAtAtuiA2遠大于A1)cos(2343)()()()(122133131133221tAAaAaAatuatuatuatuiiio則輸出信號為因為A2遠大于A1)cos(23)(1221311tAAaAatuo 隨著干擾信號的強度的增加，系統(tǒng)相對于弱信號的增益在降低，當干擾信號的強度達到一定程度時，增益幾乎接近于零，信號處于阻塞狀態(tài)。Network Analyzer Basics 2003系統(tǒng)非線性交叉調(diào)制(Cross Modulation)

7、當輸入的信號中除所希望的弱信號外，還有很強的干擾信號時，若系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，則會出現(xiàn)強信號的幅度調(diào)制弱信號的現(xiàn)象。如果干擾信號是一個調(diào)幅信號 ttmAm22cos)cos1 ()cos(cos22cos22123)(122221311ttmtmmAAaAatummo則所希望的輸出信號中含有幅度調(diào)制分量tm2costmcos放大器要同時處理多個獨立的信道，如CATV發(fā)射機全雙工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 當兩個不同頻率的信號加入到一個非線性系統(tǒng)的輸入端時，則會產(chǎn)生兩個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m=2、n=1或m=1、n=2時交調(diào)產(chǎn)物為三階交互調(diào)。如果1與 2比較接近時，會在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 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實際上的估算公式其中PO為實際使用值dBcPPIMdB75.2322103Network Analyzer Basics 2003三階交調(diào)截獲點IP3 1dB 20logAout 20logAin IIP3 1 1 3 1 OIP3 20log(a1A+9/4 a2A3) 20log(3/4a3A3) 若兩正弦信號的幅度為 A IP3的定義 基頻分量的特性延長線與三階交調(diào)分量的特性延長線的交點三階交調(diào)截獲點IP3。所對應的輸出功率為輸出三階交調(diào)截獲點功率OIP3

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

11、1)(21三階互調(diào)信號的輸出功率可寫為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IIP3為30

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

13、123113243aaaaaAIIPNetwork Analyzer Basics 2003級聯(lián)非線性網(wǎng)絡的IP3(2)22,2112221 ,113312212323333812341IIPIIPIIPAaaAaaaaaA如果每級是窄帶信號，二次方項產(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對更多級數(shù)Network Analyzer Basics 200

14、3級聯(lián)非線性網(wǎng)絡的IP3(3) 結(jié)論結(jié)論 多級放大器級聯(lián)系統(tǒng)的三節(jié)湖調(diào)節(jié)火電輸入功率小于每一級的三階交調(diào)截獲電輸入功率，由于進入后級的輸入信號是經(jīng)過前面各級的放大，因此要求后一級的線性范圍就更大。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幅度和相位的變化。 當輸入信號是Acost時，輸出基波信號是 考慮到信道電感與電容分布參數(shù)的影響，a1、a3應是復數(shù)。 為了簡化運算，令a1的相位為零， a3的相位為， 則基波信號可表示為 可以把上式寫為 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)對功率放大器的要求較低，通常其輸出功率為P1dB即可。此時的交調(diào)系數(shù)約為20dB左右。但在64QAM以上的多進制QAM系統(tǒng)中，對非線性的指標要求很高，IM3為3040dB左右。 為進一步提高系統(tǒng)的IM3，在采用線性放大器的基礎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、自適應基帶預畸變法。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的基礎上每降低1dB，IM3就降低2dB。例：假如輸出功率為40dBm對應的IM3為-20dBc若實際輸出功率為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單、最可靠的線性化措施功率倒退法是一種最簡單、最可靠的線性化措施Network Analyzer Basics 2003改善措施1功率回退法(2) 功率倒退法的缺點是犧牲了輸出功率。 為了