功率放大器Power Amplifiers1-基础

1.PA的非线性

功放非线性是指当功放的输入信号为小电流信号时，输出功率随着输入功率线性增加，输出信号功率与输入信号功率比值不变，即增益为一固定值，称这一状态为线性状态。当功放输入大电流信号时，输出信号与输入信号的功率比发生变化，且功率比逐渐减小，即增益出现压缩现象。最终结果为输入信号功率增加，而输出功率不变，称这一状态为饱和状态。为了提高功放效率，使得信号发射距离更远，需要将功放长期工作在饱和区。但是功放在未达到饱和状态之前，增益已经出现压缩，也就是所谓的功放非线性失真。

功放的非线性失真引发传输信号产生额外的频率成分，如谐波分量、互调分量等，甚至各分量之间也能产生互调的产物。这些失真带来的分量都与需要传输的信号不相符，给传输过程带来困扰，导致最后接收到的信号出现话音畸变，断断续续等不完整现象。因此需要对功放的非线性失真做线性化处理使得经过功放放大后的信号能够保持完整无损。

2.PA的分类

短波功放类型有A 类、B 类、AB 类、C 类等，每种类型对应不同的效率特性和线性度。功放的类型主要是指它们的工作状态不同，依靠的是功放工作时导通角的情况区分。

A 类功率放大器的导通角是 360 度，这一状态的特点是功放整个过程处于线性区。由功放特性可知，处于线性区的工作状态时，信号可无失真输出。但是线性输出的结果是以牺牲效率为前提，A 类功放的效率理论上能够达到50%，而实际上只有25%以下。介于这样的低效率工作状态，一般不予采用。

B 类功放的导通角是 180 度，相比于 A 类而言，输出效率得到很大的提高，理论上可高达78.5%，实际最大增益效率60%。但是不导通的半个周期内无输入信号传输，处于截止状态。这样整个周期的将出现非线性的输出，且失真很大。由于严重的失真带来的影响，B类放大器也不受设计者们的青睐。

AB 类功放介于 A 类和 B 类之间，导通角在 180 度到 360 度的范围内。这类放大器折中了A、B两类功放的优缺点，效率高于A类，低于B 类，实际工作中效率能够达到50%左右，能够满足通信需求。AB类功放输出会有非线性失真，但不及B类功放失真度强，一般通过线性化技术纠正之后能够达到线性输出。目前应用最多的是此类功放。

C 类功放导通角小于 180 度，因此功放输出具有很高的效率，一般理论上能够达到100%，实际最大增益效率75%。但其线性度是上述几类功放中最差的。由于较差的线性度，使得信号传输过程中出现波形畸变、丢失等失真，很难正常通信，一般不予采用。

3.PA的非线性指标

3.1 峰平比

峰平比定义为信号的峰值功率与平均功率之比：

或者

幅度为A的正弦波，其峰值功率为A2，平均功率为 ,理论上N个同幅正弦波之和的峰平比为2N

OFDM信号的峰均比为，N为子载波个数，

3.2 1dB压缩点

当输入输出功率较小时，功放工作在线性区，当输入输出功率较大特别是接近于饱和区时，功放出现非线性失真，典型的功放输入输出特性曲线如图所示，由图可见，功放的线性区和非线性区（饱和区）的划分一般由1dB压缩点来确定。

1dB 压缩点（1dB compression point）定义为：使得实际增益值比理想增益值下降1dB时输入信号的位置。

实际中如何使用信号器和频谱仪测试功放1db压缩点？

假设信号器设置单音输出幅度为-20dbm，此时功放经过衰减器的输出为-10dbm。一般情况下，把信号器提高1dbm，输出-19dbm，如果功放工作在线性区，此时频谱仪检测到功放输出信号为-9dbm。按1dbm提高信号器幅度，频谱仪就会发现输出不断压缩，例如信号器输出-15dbm，理论上输出应该是-5dbm，实际中测试出是-5.5dbm。如果当信号器输出为-10dbm时候，理论输出应该是0dbm，而频谱仪检测出的为-1dbm，那么-10dbm则是1dbm压缩点输入。

3.3误差向量幅度 EVM

误差向量幅度 EVM（Error Vector Magnitude）的含义是在一段时间内，理想参考信号与实际信号的向量差的模值。因信号变化时误差向量也会变，所以 EVM通常定义为在一段时间内误差向量的有效值（RMS 值）。它描述了因功放非线性失真引起的信号带内失真特性，该指标的含义与 NMSE 等价。EVM 的定义式如下

其中，N是离散信号采样数，xtmax是发射信号的最大值，其他x(k)是输出IQ，y(k)是反馈IQ。

3.4 IMD交调干扰

交调失真是指类似双音或者多音的信号经功放放大后，输出信号产生不同频率信号混叠的额外分量。三阶交调干扰(IMD3)指的是基波信号功率减去三阶交调信号功率的值，如图所示。

3.5邻信道功率比(ACPR)

邻信道功率比(ACPR)：AdjacentChannelPowerRatio是主信道的相邻信道功率(dB)与主信道功率(dB)的差值，单位为dBc，是表征线性度的一个关键参数指标。ACPR 表达式如下：

3.6归一化最小均方误差(NMSE)

误差向量是指输入与输出信号向量的差值，包括幅度和相位误差值，如图 3.10所示。

其中Xn为功放输入N点的矢量信号(IQ)，Yn为功放输出N点的反馈信号(IQ)。NMSE一般用来作为自适应的判断。