放大器的非線性是半導(dǎo)體器件中一種普遍存在的現(xiàn)象，尤其在輸入信號(hào)較大時(shí)，非線性效應(yīng)將更加明顯。由于放大器具有增益功能，使得它比其他半導(dǎo)體器件更容易出現(xiàn)非線性失真，這也是為什么我們特別關(guān)注放大器非線性的原因。本文將以放大器為例，討論交調(diào)失真及其測(cè)試方法。

交調(diào)失真對(duì)系統(tǒng)的影響

交調(diào)失真不僅會(huì)影響無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)射鏈路性能，還會(huì)對(duì)接收鏈路的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

在發(fā)射鏈路上，功率放大器是最容易受到非線性影響的部件。當(dāng)信號(hào)為寬帶調(diào)制信號(hào)時(shí)，在信號(hào)帶寬內(nèi)外都會(huì)產(chǎn)生豐富的交調(diào)成分。帶外的交調(diào)成分會(huì)對(duì)其他信道造成干擾，通常通過(guò)鄰道泄露比（ACLR）或鄰道功率比（ACPR）來(lái)衡量。帶內(nèi)的交調(diào)成分會(huì)對(duì)信號(hào)本身造成干擾，降低信噪比或信干比。對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，噪聲功率比（NPR）是一個(gè)重要的參數(shù)。

在接收鏈路中，主要關(guān)注前端低噪聲放大器的交調(diào)失真。當(dāng)信號(hào)附近存在強(qiáng)烈的雙音或多音干擾時(shí)，交調(diào)失真成分會(huì)落入信號(hào)帶寬內(nèi)，從而降低接收機(jī)的靈敏度。手機(jī)的"雙音靈敏度"測(cè)試就是針對(duì)這種情況進(jìn)行的，在相鄰信道上施加雙音干擾信號(hào)，以測(cè)試接收機(jī)在此條件下的靈敏度。規(guī)范中定義了雙音干擾的頻率和幅度，要求靈敏度必須滿足一定要求。因此，射頻前端低噪聲放大器需要具備出色的線性度。

總之，交調(diào)失真對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收鏈路性能都有重要影響。在射頻放大器的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中，非線性性能是一個(gè)不可忽視的考慮因素。

交調(diào)失真產(chǎn)生機(jī)制概述

當(dāng)向放大器輸入單音信號(hào)（即單頻點(diǎn)信號(hào)）時(shí)，放大器將輸出基頻及其諧波成分。而當(dāng)輸入雙音或多音信號(hào)時(shí)，放大器的非線性將導(dǎo)致不同頻率的組合，產(chǎn)生交調(diào)失真成分。

在眾多非線性失真項(xiàng)中，從頻譜角度來(lái)看，距離基頻信號(hào)最近的是差頻三階交調(diào)成分：(2?1 - ?2) 和 (2?2 - ?1)。在寬帶通信系統(tǒng)中，這些成分對(duì)信號(hào)本身和鄰道造成的干擾最為顯著。而且，三階交調(diào)成分在交調(diào)產(chǎn)物中具有相對(duì)較強(qiáng)的幅度，因此被廣泛關(guān)注。通常所提供的有源器件的交調(diào)失真參數(shù)主要指的是三階交調(diào)失真。

然而，交調(diào)失真不僅限于泰勒級(jí)數(shù)展開的三階項(xiàng)，實(shí)際上還會(huì)產(chǎn)生五階、七階等奇數(shù)高階項(xiàng)，只是隨著階數(shù)的增加，其貢獻(xiàn)逐漸減少。

為了便于定量分析，下表給出了泰勒級(jí)數(shù)展開后五階項(xiàng)以內(nèi)的基頻及三階交調(diào)失真的系數(shù)。

表1. 基頻及三階交調(diào)失真的系數(shù)(5階項(xiàng)以內(nèi))

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在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，我們可以得出以下結(jié)論：

無(wú)論是基頻信號(hào)還是三階交調(diào)失真，在放大器輸出側(cè)，功率隨輸入功率的變化都不是線性的。

當(dāng)輸入信號(hào)功率較低時(shí)，基頻信號(hào)和三階交調(diào)失真的輸出功率與輸入功率呈近似線性關(guān)系。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樵谟?jì)算三階交調(diào)點(diǎn)(IP3)功率時(shí)需要基于這種近似線性關(guān)系。

在近似線性區(qū)域，隨著輸入功率增加，三階交調(diào)失真的功率比基頻信號(hào)的功率增加更快，其增加速度是基頻功率的三倍。

在較低輸入功率條件下（通常遠(yuǎn)小于0dBm），三階交調(diào)分量的功率遠(yuǎn)小于基頻信號(hào)功率。

隨著輸入功率進(jìn)一步增大，基頻和三階交調(diào)失真的輸出功率曲線的非線性越來(lái)越明顯，逐漸呈現(xiàn)壓縮狀態(tài)。

三階交調(diào)失真通常使用"三階交調(diào)失真度(IMD3, 3rd order intermodulation distortion)"和"三階交調(diào)點(diǎn)(IP3, 3rd order intercept point)"兩個(gè)參數(shù)來(lái)衡量。IP3實(shí)際上是指三階交調(diào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入或輸出功率。

在近似線性區(qū)域，基頻和三階交調(diào)失真的功率輸出特性曲線均呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。由于斜率不同，二者的延長(zhǎng)線將會(huì)相交，這個(gè)交點(diǎn)即為三階交調(diào)點(diǎn)IP3。然而，在實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到IP3所對(duì)應(yīng)的輸出功率，IP3的引入主要是為了以統(tǒng)一的方法衡量半導(dǎo)體器件的非線性特性。

在近似線性區(qū)域內(nèi)，輸入功率每增加1dB，IMD3將惡化2dB；反之，輸入功率每降低1dB，IMD3將改善2dB。然而，如果超出近似線性區(qū)域，這種關(guān)系則不成立。

如何測(cè)試三階交調(diào)失真度及交調(diào)點(diǎn)功率？

測(cè)試IMD3和IP3并不困難，但在測(cè)試過(guò)程中需要注意一些細(xì)節(jié)，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

對(duì)于三階交調(diào)的測(cè)試，需要輸入等幅雙音信號(hào)，并根據(jù)待測(cè)件的要求設(shè)置雙音頻的間距。在測(cè)試IMD3時(shí)，雙音信號(hào)的幅度可以大或小，但如果要測(cè)試IP3，如前文所述，幅度不能過(guò)大，必須確保待測(cè)件工作在近似線性區(qū)域。

在測(cè)試中，常見的方法是使用兩個(gè)信號(hào)源提供雙音信號(hào)，這樣可以提供相對(duì)較純凈的雙音信號(hào)。另一種方法是使用矢量信號(hào)源，通過(guò)編輯基帶波形文件，在單個(gè)通道上輸出雙音信號(hào)。然而，這種方法產(chǎn)生的信號(hào)本身會(huì)有一定的三階交調(diào)失真，因此只在無(wú)法使用兩個(gè)信號(hào)源時(shí)才采用。

在測(cè)試過(guò)程中，需要特別注意頻譜儀的設(shè)置，以避免其自身進(jìn)入非線性狀態(tài)并產(chǎn)生強(qiáng)烈的三階交調(diào)失真。頻譜儀在測(cè)試中會(huì)產(chǎn)生一定的交調(diào)失真，但不能太強(qiáng)，否則會(huì)干擾測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(1) 在測(cè)試三階交調(diào)失真時(shí)，我們可以通過(guò)增大頻譜儀內(nèi)部的前端衰減器來(lái)判定其產(chǎn)生的交調(diào)失真對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。如果三階交調(diào)分量變化不大，則可以忽略頻譜儀本身產(chǎn)生的交調(diào)失真。如果三階交調(diào)分量變小，則需要進(jìn)一步增大衰減度，直到三階交調(diào)分量變化不大。但是，使用衰減器會(huì)降低測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍，因此在必要時(shí)，可以考慮使用陷波器來(lái)衰減基頻信號(hào)，以防止頻譜儀產(chǎn)生較強(qiáng)的交調(diào)失真。

在測(cè)試功率放大器的三階交調(diào)失真時(shí)，務(wù)必在饋入頻譜儀之前使用適當(dāng)功率容量的衰減器，以確保不會(huì)對(duì)頻譜儀造成損害。如果需要實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍，則需要使用陷波器來(lái)衰減基頻信號(hào)。

(2) 在信號(hào)源方面，有兩個(gè)需要注意的事項(xiàng)，其中之一是雙音信號(hào)的幅度。

在測(cè)試IMD3時(shí)，并不對(duì)雙音信號(hào)的幅度有過(guò)高的要求，但在測(cè)試IP3時(shí)，輸入信號(hào)的幅度不能太高，必須確保放大器工作在近似線性區(qū)域。建議雙音信號(hào)的幅度低于1dB增益壓縮點(diǎn)輸入功率（Pin,1dB），至少比其低20dB。無(wú)論是測(cè)試IMD3還是IP3，記錄測(cè)試結(jié)果時(shí)務(wù)必注明雙音頻的間距和幅度。

判定方法：如果輸入功率增加1dB，IMD3惡化2dB，則說(shuō)明放大器仍然工作在近似線性區(qū)域，可以計(jì)算IP3。

另一個(gè)需要注意的點(diǎn)是，使用圖中所示的測(cè)試裝置可能會(huì)導(dǎo)致合路器輸出端已經(jīng)存在三階交調(diào)產(chǎn)物。這與信號(hào)源的自動(dòng)功率控制環(huán)路有關(guān)，具體原因?qū)⒃诤罄m(xù)介紹中詳述。簡(jiǎn)而言之，由于合路器的有限端口隔離度，導(dǎo)致信號(hào)反向串入信號(hào)源，并經(jīng)過(guò)自動(dòng)功率控制環(huán)路的作用，使得信號(hào)源本身輸出了雙音信號(hào)及交調(diào)失真信號(hào)。

建議在進(jìn)行測(cè)試之前，先使用頻譜儀測(cè)試雙音信號(hào)，觀察是否存在較強(qiáng)的三階交調(diào)失真。

如何降低這種情況對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響？

大多數(shù)信號(hào)源都支持手動(dòng)關(guān)閉自動(dòng)功率控制功能（ALC），這可以有效避免上述情況的發(fā)生。然而，關(guān)閉ALC功能后，輸出功率的穩(wěn)定度也會(huì)降低。

另一種方法是使用高隔離度的耦合器來(lái)代替合路器，或者在每個(gè)信號(hào)源的輸出端連接一個(gè)衰減器，以增加彼此之間的隔離度。

編輯：黃飛

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