射頻基礎(chǔ)知識---調(diào)制信號的功率測量

一、信道功率

射頻信號的信道功率指的就是：在指定信道帶寬內(nèi)的總功率。下圖展示了一個典型數(shù)字調(diào)制信號的信道功率。請注意，這個信號是一個調(diào)制信號：其頻譜具有較寬且有點像噪聲的形狀，沒有明顯的譜線。該信道寬5MHz，信號占據(jù)了大部分的頻率范圍，在接近信道邊緣時信號強度逐漸減弱。頻譜分析儀對規(guī)定信道內(nèi)的所有功率進行積分，并將結(jié)果顯示為-20.86dBm。

二、占用帶寬

射頻信號的占用帶寬描述了該信號在頻域上的寬度，它是基于信號中總功率的一定比例來確定的。例如，對于占用帶寬的一個常見規(guī)定是，包含了發(fā)射功率99%的那個頻率范圍即為占用帶寬，下圖是占用帶寬示意圖，其中β/2%通常取值為0.5%。

三、鄰道功率

確保射頻信號保持在其預(yù)定的頻率空間（信道）內(nèi)是很重要的。當(dāng)一個射頻信號溢出到相鄰信道時，它會對其他無線信道造成干擾，并降低系統(tǒng)性能。沒有信號是完美無缺的，所以總會有少量能量會對相鄰信道產(chǎn)生影響。

鄰道功率指的是泄漏到相鄰信道中的功率量。它可以用絕對功率來表示，不過更常見的是表示為鄰道功率與主信道功率的比值，這被稱為鄰道功率比（ACPR）或鄰道泄漏比（ACLR）。我們可以使用以下公式以dB為單位來表示這個比值：

其中Pch是主信道功率，Padj是相鄰信道的功率。

下圖展示了一次鄰道功率比（ACPR）的測量結(jié)果，主信道位于顯示屏幕的中央，兩側(cè)各有一個相鄰信道。信道功率測量值在-4dBm附近波動。兩個緊鄰的相鄰信道的功率分別顯示為-65dBm和-70dBm，對應(yīng)的鄰道功率比（ACPR）分別為-61dBc和-66dBc，這里的“dBc”表示相對于載波或信道功率的分貝數(shù)。該測量存在噪聲干擾，所以結(jié)果會有所波動。

請注意，兩個相鄰近的信道的鄰道功率比（ACPR）比外部信道大約差5dB。上圖中可以看到，相鄰信道中的功率在接近主信道時會略有增加。

四、放大器非線性

隨著工程師們追求最大輸出功率和放大器效率，放大器中的非線性會導(dǎo)致主信道的信號泄漏到相鄰信道中。這有時被稱為頻譜泄漏，是導(dǎo)致鄰道功率比下降的一個關(guān)鍵因素。

非線性會導(dǎo)致放大器出現(xiàn)各種形式的失真。諧波失真是常見的一種，但它只影響主載波整數(shù)倍的頻率。這些頻率通常在頻帶之外，并且常通過低通濾波器被濾除。

互調(diào)失真的經(jīng)典模型會在這些頻率上產(chǎn)生失真產(chǎn)物，其中n和m為整數(shù)。

三階互調(diào)失真會特別麻煩，因為它會在主信道“附近”產(chǎn)生失真產(chǎn)物。例如，考慮主信道內(nèi)的兩個頻率f1和f2。

其中一個三階互調(diào)產(chǎn)物的頻率由下式給出：

例如，假設(shè)f1=1.922GHz且f2=1.918GHz，那么f21失真產(chǎn)物的頻率將是1.926GHz，這個頻率相對接近原始的頻率對。根據(jù)確切的頻率值和信道間隔，失真產(chǎn)物的頻率可能會落在主信道內(nèi)，或者落在某一個相鄰信道內(nèi)。四、ACLR和ACPR的關(guān)系

ACLR（Adjacent Channel Leakage Ratio，鄰道泄漏比）和ACPR（Adjacent Channel Power Ratio，鄰道功率比）在實際應(yīng)用中常被視為等同的概念，用于衡量無線通信系統(tǒng)中主信道與相鄰信道之間的功率關(guān)系。

不過，兩者在定義和側(cè)重點上也有一些細微差別：

定義：ACLR更強調(diào)主信道功率與相鄰信道上泄漏功率的比值，關(guān)注的是由于發(fā)射機非理想特性導(dǎo)致的功率泄漏情況；ACPR則是指相鄰信道的總功率與主信道功率的比值，相對更側(cè)重于相鄰信道上的整體功率水平，而不特別區(qū)分是否是泄漏功率。

計算方式：ACLR是主信道功率與相鄰信道泄露功率的差值；ACPR是相鄰信道總功率與主信道功率的比值。

應(yīng)用場景：ACLR常用于評估和控制發(fā)射機的線性度和頻譜純凈度，ACPR則更多用于系統(tǒng)規(guī)劃和頻譜管理，特別是在頻譜資源緊張的環(huán)境中。

在實際測試中，在基站設(shè)計中常采用ACLR作為系統(tǒng)指標(biāo)，而終端設(shè)計中常采用ACPR作為系統(tǒng)指標(biāo)。但在很多文獻和資料中，這兩個術(shù)語經(jīng)?；Q使用來表示同一概念。

五、ACLR和IMD的關(guān)系

RF器件的ACLR來源可以對寬帶載波頻譜進行模擬，相當(dāng)于獨立的CW副載波集合。每個副載波都會攜帶一部分總的載波功率。下圖所示就是這樣一個模型，連續(xù)RF載波由四個單獨的CW副載波模擬，每個副載波的功率為總載波功率的四分之一。副載波以相同的間隔均勻地分布于整個載波帶寬內(nèi)。上圖中的綠線從左到右分別是副載波1、2、3和4。如果我們只考察左邊的兩個副載波(1和2)，可以考慮RF器件中的任意IMD3失真引起的三階IMD分量。三階失真表現(xiàn)為這兩個副載波兩側(cè)的低電平副載波，兩個“綠色”副載波左邊的第一個“紅色”失真分量是這兩個副載波的IMD3失真結(jié)果。

來自副載波1和3的IMD3分量在與載波1間距相同的頻率處具有IMD3失真分量。這在載波頻譜的左邊產(chǎn)生第二個“紅色”IM分量。同樣，來自副載波1和4的IMD3生成的失真分量距離載波邊緣更遠。

注意這里還存在其它的IMD分量。副載波2和4產(chǎn)生的IM3分量直接疊加在副載波1和2產(chǎn)生的IMD分量上。這一累加效應(yīng)會使距離RF載波邊緣較近的IMD分量的幅值比距離RF載波邊緣較遠的IMD分量高，產(chǎn)生ACLR失真頻譜中的“肩”特性。

這種方法可以定量地預(yù)測單獨的IMD3失真分量的實際電平。通過增加模型中所使用的單獨的副載波的數(shù)量可以增加模型的精度。多個寬帶載波的ACLR性能與該模型中的ACLR非常像，模型中每個單獨的寬帶載波占據(jù)總的寬帶載波帶寬的一部分。在寬帶載波的相鄰部分，鄰近最后一個載波的單載波的ACLR處于IMD3引起的失真響應(yīng)的高肩位置。這導(dǎo)致多載波情形的ACLR比單載波系統(tǒng)的ACLR差得多。再次說明，這一結(jié)果可以量化后用以精確預(yù)測單寬帶載波或多寬帶載波的ACLR性能。

寬帶載波的ACLR通過一個校正因數(shù)與雙音IMD3性能相關(guān)。該校正的存在是由于IMD3性能造成了ACLR性能惡化。這種惡化來源于由擴頻載波的頻譜密度組成的各種互調(diào)分量的影響。ACLR與IMD3的有效關(guān)系如下所示：

ACLRn≈IMD3+Cn

其中Cn如下表所示：

六、放大器測試

你可以測量發(fā)射信號的鄰道功率比（ACPR）來確定該發(fā)射器的整體性能。你也可以測量發(fā)射器或射頻（RF）系統(tǒng)內(nèi)部的各個組件。 ?下圖展示了如何使用信號發(fā)生器和頻譜分析儀來檢測功率放大器的性能。信號發(fā)生器提供調(diào)制射頻信號，頻譜分析儀則測量鄰道功率比（ACPR），以查看在放大器輸出端鄰道功率比（ACPR）下降了多少。檢測到的任何性能下降都是由放大器引入的失真所導(dǎo)致的。?

功率衰減器將來自放大器的信號電平降低到頻譜分析儀能夠處理的水平，同時起到保護頻譜儀不被大信號損壞的作用。當(dāng)然，頻譜分析儀還可以測量信號的其他參數(shù)，這些參數(shù)有助于你評估放大器的整體性能。

總結(jié)：

信道功率、占用帶寬、鄰道功率比（ACPR/ACLR）及互調(diào)失真（IMD）共同構(gòu)成射頻系統(tǒng)頻譜特性的核心評估體系。ACLR與ACPR雖在定義側(cè)重上略有差異，但均用于量化主信道功率泄漏至鄰道的程度，是頻譜合規(guī)性與發(fā)射機線性度的關(guān)鍵指標(biāo)。

放大器非線性導(dǎo)致的IMD3產(chǎn)物直接惡化ACLR，且多載波場景下頻譜密度疊加效應(yīng)進一步加劇鄰道干擾。通過頻譜分析儀對放大器ACPR的實測驗證，可精準(zhǔn)定位非線性失真源，為優(yōu)化發(fā)射鏈路性能提供量化依據(jù)。未來需結(jié)合多載波ACLR建模與動態(tài)IMD補償技術(shù)，以應(yīng)對高頻段、大帶寬場景下的頻譜效率挑戰(zhàn)。