第5章 微波系统的非线性及补偿技术

1、Network Analyzer Basics 1微波通信中的非线性微波通信中的非线性及补偿技术及补偿技术2003.11Network Analyzer Basics 2003主要内容主要内容 放大器非线性的表示方法 非线性指标的几种定义 非线性指标的测量 微波功率放大器的线性改善措施 自适应发信功率电平控制与自动电平控制Network Analyzer Basics 2003非线性对微波传输系统的影响 在小容量的数字微波传输系统中，对频谱利用率要求不高，一般采用4PSK的恒包络调制信号。这种调制方式对传输系统的非线性失真不敏感。在大容量的数字传播系统中，为了提高频谱利用率，通常采用64QAM

2、、128QAM等多电平正交调制方式。使用这些调制方式时对系统的非线性特性提出非常严格的要求。 系统的非线性主要取决于系统的有源部件，如变频器、功率放大器等。Network Analyzer Basics 2003放大器非线性的表示方法(1)对图中所示的非线性可用一个无穷多项的幂级数来逼近 ui uo 信道的非线性0)()(nninotuatuuo(t) 、ui(t)分别为信道的输出和输入信号，an是非线性模型的各项系数，一般为复数，由放大器决定.略去直流项，并取模型中的前三项来逼近信道)()()()(33221tuatuatuatuiiioNetwork Analyzer Basics 200

3、3放大器非线性的表示方法(2)设放大器的输入信号)cos()(tAtui则输出信号tAatAatAaAaAattAatAatAatAatAatAatuo3cos42cos2)cos()43(2)3cos3cos3(4)2cos1 (2)cos()(cos)(cos)cos()(332233122332213332221考虑非线性特性的基波电压增益为)43log(20231AaaGNetwork Analyzer Basics 2003放大器非线性的表示方法(3)再假设输入信号为两个不等频率的正弦信号)cos()cos()(2211tAtAtuitAAaAaAatAAaAaAa221233232

4、1122133131121cos)2343(cos)2343(,tAAatAAa)cos()cos(212122121221tAAatAAa)2cos(43)2cos(43221221321221321tAAatAAa)2cos(43)2cos(43212122312122312Network Analyzer Basics 2003放大器非线性的表示方法(4) 1 2 1 2 22-1 32-21 42-31 41-32 31-22 21-2 Network Analyzer Basics 2003系统非线性增益压缩(1)从 可以看出，一个非线性系统的输出nth谐波的幅度包含一个比例于An的

5、项和一个A的高次项，在输入信号的幅度比较小的情况下，可忽略掉高次项。这样nth谐波的幅度比例于An 1dB 20logAout 20logAin A-1dB P1dB压缩点Network Analyzer Basics 2003非线性的几种定义增益压缩(2)P1dB压缩点的定义当输入信号的增加1dB，而放大器的实际输出与线性输出相比降低1dB的输出功率。1log2043log2012131aAaadB311145. 0aaAdBNetwork Analyzer Basics 2003系统非线性信号灵敏度降低(Desensitization)和阻塞(Blocking) 若输入的信号中除所希望的弱

6、信号外，还有很强的干扰信号时，会出现灵敏度降低和阻塞现象，好像是好像是强干扰信号使弱信号信道阻塞。设输入信号为 )cos()cos()(2211tAtAtuiA2远大于A1)cos(2343)()()()(122133131133221tAAaAaAatuatuatuatuiiio则输出信号为因为A2远大于A1)cos(23)(1221311tAAaAatuo 随着干扰信号的强度的增加，系统相对于弱信号的增益在降低，当干扰信号的强度达到一定程度时，增益几乎接近于零，信号处于阻塞状态。Network Analyzer Basics 2003系统非线性交叉调制(Cross Modulation)

7、当输入的信号中除所希望的弱信号外，还有很强的干扰信号时，若系统是一个非线性系统，则会出现强信号的幅度调制弱信号的现象。如果干扰信号是一个调幅信号 ttmAm22cos)cos1 ()cos(cos22cos22123)(122221311ttmtmmAAaAatummo则所希望的输出信号中含有幅度调制分量tm2costmcos放大器要同时处理多个独立的信道，如CATV发射机全双工CDMA系统要求系统的LNA具有卓越的线性特性Network Analyzer Basics 2003系统非线性交(互)调分量 当两个不同频率的信号加入到一个非线性系统的输入端时，则会产生两个频率的多次组合分量(m1n

8、2)，产生交调现象。 ttAtui21cos()cos()(.2cos2cos432cos2cos43coscos49)(21123312213321231ttAattAattAaaAtuONetwork Analyzer Basics 2003三阶交(互)调分量当m=2、n=1或m=1、n=2时交调产物为三阶交互调。如果1与 2比较接近时，会在1与 2的附近产生三阶交调分量21 - 2和22- 1 1 2 1 2 21-2 22-1 干扰信号 Network Analyzer Basics 2003三阶交调系数定义为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的幅度为-40dBm基波1或 2的幅度为-17dBm IM3=-23dBc231233943log20AaaAaIM实际上的估算公式其中PO为实际使用值dBcPPIMdB75.2322103Network Analyzer Basics 2003三阶交调截获点IP3 1dB 20logAout 20logAin IIP3 1 1 3 1 OIP3 20log(a1A+9/4 a2A3) 20log(3/4a3A3) 若两正弦信号的幅度为 A IP3的定义 基频分量的特性延长线与三阶交调分量的特性延长线的交点三阶交调截获点IP3。所对应的输出功率为输出三阶交调截获点功率OIP3

10、，所对应的输入功率为输入三阶交调截获点功率IIP3。Network Analyzer Basics 2003A-1dB与AIP3的关系如果a1A远大于9a3A3/431343aaAIP311145. 0aaAdBdBAAIPdB6 . 975. 0145. 031 1dB 20logAout 20logAin IIP3 1 1 3 1 OIP3 20log(a1A+9/4 a2A3) 20log(3/4a3A3) 若两正弦信号的幅度为 A 33143AaAaNetwork Analyzer Basics 2003IIP3与IM3的关系(1)若忽略高次项,则基波的功率可写为inoPGAaP121

11、1)(21三阶互调信号的输出功率可写为332333)43(21inoPGAaP)log(10log10)(11inoPGdBPinoPGdBPlog30log10)(33Network Analyzer Basics 2003IIP3与IM3的关系(2)已知放大器的IIP3，我们知道在IIP3处则有031PPo23133311)IIP3()IIP3(IIP3GGGPGPoo根据IM3的定义，)( 32)(2)( 3) 3(IM322133dBmIIPdBmPdBIMIIPPPGPGininininNetwork Analyzer Basics 2003例已知一放大器的三阶互调截点IIP3为30

12、dBm。求当输入功率为10 dBm时，放大器的三阶互调系数IM3。dBcdBmIIPdBmPdBIMin40302102)( 32)(2)( 3Network Analyzer Basics 2003级联非线性网络的IP3(1) ui(t) u1(t) u2(t) )()()()()()()()(313212112332211tututututuatuatuatuiii.)()2()()()()()()()()()()()(33322113113332213233221233221121tuaaaatuatuatuatuatuatuatuatuatuatuatuiiiiiiiiiii33122

13、123113243aaaaaAIIPNetwork Analyzer Basics 2003级联非线性网络的IP3(2)22,2112221 ,113312212323333812341IIPIIPIIPAaaAaaaaaA如果每级是窄带信号，二次方项产生的和频、差频、倍频及三次方产生的三次谐波均被滤除。22,2121 ,233311IIPIIPIIPAaAA21133131IIPGIIPIIP23 ,212122,2121 ,2333311IIPIIPIIPIIPAaAaAA221211333131IIPGGIIPGIIPIIP对更多级数Network Analyzer Basics 200

14、3级联非线性网络的IP3(3) 结论结论 多级放大器级联系统的三节湖调节火电输入功率小于每一级的三阶交调截获电输入功率，由于进入后级的输入信号是经过前面各级的放大，因此要求后一级的线性范围就更大。Network Analyzer Basics 2003AM-AM和AM-PM转换 AM-AM和AM-PM转换分别指由于新道非线性引起输出信号幅度和相位的变化。 当输入信号是Acost时，输出基波信号是 考虑到信道电感与电容分布参数的影响，a1、a3应是复数。 为了简化运算，令a1的相位为零， a3的相位为， 则基波信号可表示为 可以把上式写为 其中tAaAacos)43(331teAaAajcos)

15、43(331)(cos)(AtAg2332331)sin43()cos43()(aAaAAaAgcos43sin43)(331331AaAaAatgANetwork Analyzer Basics 2003微波功率放大器的线性改善 使用PSK或16QAM方式的数字微波系统对功率放大器的要求较低，通常其输出功率为P1dB即可。此时的交调系数约为20dB左右。但在64QAM以上的多进制QAM系统中，对非线性的指标要求很高，IM3为3040dB左右。 为进一步提高系统的IM3，在采用线性放大器的基础上还需要采取一些线性化措施：如功率回退法、中频或微波畸变法、前馈法、自适应基带预畸变法。Network Analyzer Basics 2003改善措施1功率回退法(1)就是将线性输出功率从P1dB降低610dB。根据 输出功率在P1dB的基础上每降低1dB，IM3就降低2dB。例：假如输出功率为40dBm对应的IM3为-20dBc若实际输出功率为30dBm，则IM3为-40dBc。即功率倒退10dB，IM3改善了20dB。功率倒退法是一种最简单、最可靠的线性化措施功率倒退法是一种最简单、最可靠的线性化措施Network Analyzer Basics 2003改善措施1功率回退法(2) 功率倒退法的缺点是牺牲了输出功率。 为了