工程師操作指南——RF指標的內(nèi)在和意義

來源：RF技術(shù)社區(qū)

本文來自與非網(wǎng)

這篇文章的初衷是源自我給工廠工程師寫的一份“操作指南”，按理說寫這些東西對于工作了十來年的人來說應(yīng)該是手到擒來的，但是真正寫的時候就發(fā)現(xiàn)原本計劃提綱挈領(lǐng)的東西寫成了冗長無比的八股文。

當你寫完“EVM可能隨著 Front-End 的 IL 增大而惡化”的時候，如果閱讀者是一個基礎(chǔ)概念知識都不好的工程師（工廠里的工程師很多都是如此），人家第一反應(yīng)是“EVM 是什么”，繼而是“EVM 是為什么會跟 IL 有關(guān)系”，然后還可能是“EVM 還跟什么指標有關(guān)系”——這就沒完沒了了。

所以我這里打算“扯到哪算哪”，把一些常見的概念列舉出來，拋磚引玉，然后看看效果如何。

1、Rx Sensitivity（接收靈敏度）

接收靈敏度，這應(yīng)該是最基本的概念之一，表征的是接收機能夠在不超過一定誤碼率的情況下識別的最低信號強度。這里說誤碼率，是沿用 CS（電路交換）時代的定義作一個通稱，在多數(shù)情況下，BER (bit error rate)或者 PER (packet error rate)會用來考察靈敏度，在 LTE 時代干脆用吞吐量 Throughput 來定義——因為 LTE 干脆沒有電路交換的語音信道，但是這也是一個實實在在的進化，因為第一次我們不再使用諸如 12.2kbps RMC（參考測量信道，實際代表的是速率 12.2kbps 的語音編碼）這樣的“標準化替代品”來衡量靈敏度，而是以用戶可以實實在在感受到的吞吐量來定義之。

2、SNR（信噪比）

講靈敏度的時候我們常常聯(lián)系到 SNR（信噪比，我們一般是講接收機的解調(diào)信噪比），我們把解調(diào)信噪比定義為不超過一定誤碼率的情況下解調(diào)器能夠解調(diào)的信噪比門限（面試的時候經(jīng)常會有人給你出題，給一串 NF、Gain，再告訴你解調(diào)門限要你推靈敏度）。那么 S 和 N 分別何來？

S 即信號 Signal，或者稱為有用信號；N 即噪聲 Noise，泛指一切不帶有有用信息的信號。有用信號一般是通信系統(tǒng)發(fā)射機發(fā)射出來，噪聲的來源則是非常廣泛的，最典型的就是那個著名的 -174dBm/Hz——自然噪聲底，要記住它是一個與通信系統(tǒng)類型無關(guān)的量，從某種意義上講是從熱力學推算出來的（所以它跟溫度有關(guān)）；另外要注意的是它實際上是個噪聲功率密度（所以有 dBm/Hz 這個量綱），我們接收多大帶寬的信號，就會接受多大帶寬的噪聲——所以最終的噪聲功率是用噪聲功率密度對帶寬積分得來。

3、TxPower（發(fā)射功率）

發(fā)射功率的重要性，在于發(fā)射機的信號需要經(jīng)過空間的衰落之后才能到達接收機，那么越高的發(fā)射功率意味著越遠的通信距離。

那么我們的發(fā)射信號要不要講究 SNR？譬如說，我們的發(fā)射信號 SNR 很差，那么到達接收機的信號 SNR 是不是也很差？

這個牽涉到剛才講過的概念，自然噪聲底。我們假設(shè)空間的衰落對信號和噪聲都是效果相同的（實際上不是，信號能夠通編碼抵御衰落而噪聲不行）而且是如同衰減器一般作用的，那么我們假設(shè)空間衰落 -200dB，發(fā)射信號帶寬 1Hz，功率 50dBm，信噪比 50dB，接收機收到信號的 SNR 是多少？

接收機收到信號的功率是 50-200=-150Bm（帶寬 1Hz），而發(fā)射機的噪聲 50-50=0dBm 通過空間衰落，到達接收機的功率是 0-200=-200dBm（帶寬 1Hz）？這時候這部分噪聲早已被“淹沒”在 -174dBm/Hz 的自然噪聲底之下了，此時我們計算接收機入口的噪聲，只需要考慮 -174dBm/Hz 的“基本成分”即可。

這在通信系統(tǒng)的絕大部分情況下是適用的。

4、ACLR/ACPR

我們把這些項目放在一起，是因為它們表征的實際上是“發(fā)射機噪聲”的一部分，只是這些噪聲不是在發(fā)射信道之內(nèi)，而是發(fā)射機泄漏到臨近信道中去的部分，可以統(tǒng)稱為“鄰道泄漏”。

其中 ACLR 和 ACPR（其實是一個東西，不過一個是在終端測試中的叫法，一個是在基站測試中的叫法罷了），都是以“Adjacent Channel”命名，顧名思義，都是描述本機對其他設(shè)備的干擾。而且它們有個共同點，對干擾信號的功率計算也是以一個信道帶寬為計。這種計量方法表明，這一指標的設(shè)計目的，是考量發(fā)射機泄漏的信號，對相同或相似制式的設(shè)備接收機的干擾——干擾信號以同頻同帶寬的模式落到接收機帶內(nèi)，形成對接收機接收信號的同頻干擾。

在 LTE 中，ACLR 的測試有兩種設(shè)置，EUTRA 和 UTRA，前者是描述 LTE 系統(tǒng)對 LTE 系統(tǒng)的干擾，后者是考慮 LTE 系統(tǒng)對 UMTS 系統(tǒng)的干擾。所以我們可以看到 EUTRAACLR 的測量帶寬是 LTE RB 的占用帶寬，UTRA ACLR 的測量帶寬是 UMTS 信號的占用帶寬（FDD 系統(tǒng) 3.84MHz，TDD 系統(tǒng) 1.28MHz）。換句話說，ACLR/ACPR 描述的是一種“對等的”干擾：發(fā)射信號的泄漏對同樣或者類似的通信系統(tǒng)發(fā)生的干擾。

這一定義是有非常重要的實際意義的。實際網(wǎng)絡(luò)中同小區(qū)鄰小區(qū)還有附近小區(qū)經(jīng)常會有信號泄漏過來，所以網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)的過程實際上就是容量最大化和干擾最小化的過程，而系統(tǒng)本身的鄰道泄漏對于鄰近小區(qū)就是典型的干擾信號；從系統(tǒng)的另一個方向來看，擁擠人群中用戶的手機也可能成為互相的干擾源。

同樣的，在通信系統(tǒng)的演化中，從來是以“平滑過渡”為目標，即在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上升級改造進入下一代網(wǎng)絡(luò)。那么兩代甚至三代系統(tǒng)共存就需要考慮不同系統(tǒng)之間的干擾，LTE 引入 UTRA 即是考慮了 LTE 在與 UMTS 共存的情形下對前代系統(tǒng)的射頻干擾。

5、Modulation Spectrum/Switching Spectrum

而退回到 GSM 系統(tǒng)，Modulation Spectrum（調(diào)制譜）和 Switching Spectrum（切換譜，也有稱為開關(guān)譜的，對舶來品不同翻譯的緣故）也是扮演了鄰道泄漏相似的角色。不同的是它們的測量帶寬并不是 GSM 信號的占用帶寬。從定義上看，可以認為調(diào)制譜是衡量同步系統(tǒng)之間的干擾，而切換譜是衡量非同步系統(tǒng)之間的干擾（事實上如果不對信號做 gating，切換譜一定是會把調(diào)制譜淹沒掉的）。

這就牽涉到另一個概念：GSM 系統(tǒng)中，各小區(qū)之間是不同步的，雖然它用的是 TDMA；而相比之下，TD-SCDMA 和之后的 TD-LTE，小區(qū)之間是同步的（那個飛碟形狀或者球頭的 GPS 天線永遠是 TDD 系統(tǒng)擺脫不了的桎梏）。

因為小區(qū)間不同步，所以 A 小區(qū)上升沿／下降沿的功率泄漏可能落到 B 小區(qū)的 payload 部分，所以我們用切換譜來衡量此狀態(tài)下發(fā)射機對鄰信道的干擾;而在整個 577us 的 GSM timeslot 里，上升沿／下降沿的占比畢竟很少，多數(shù)時候兩個相鄰小區(qū)的 payload 部分會在時間上交疊，評估這種情況下發(fā)射機對鄰信道的干擾就可以參考調(diào)制譜。

6、SEM (Spectrum Emission Mask)

講 SEM 的時候，首先要注意它是一個“帶內(nèi)指標”，與 spurious emission 區(qū)分開來，后者在廣義上是包含了 SEM 的，但是著重看的其實是發(fā)射機工作頻段之外的頻譜泄漏，其引入也更多的是從 EMC（電磁兼容）的角度。

SEM 是提供一個“頻譜模版”，然后在測量發(fā)射機帶內(nèi)頻譜泄漏的時候，看有沒有超出模版限值的點?？梢哉f它與 ACLR 有關(guān)系，但是又不相同：ACLR 是考慮泄漏到鄰近信道中的平均功率，所以它以信道帶寬為測量帶寬，它體現(xiàn)的是發(fā)射機在鄰近信道內(nèi)的“噪聲底”；SEM 反映的是以較小的測量帶寬（往往 100kHz 到 1MHz）捕捉在鄰近頻段內(nèi)的超標點，體現(xiàn)的是“以噪聲底為基礎(chǔ)的雜散發(fā)射”。

如果用頻譜儀掃描 SEM，可以看到鄰信道上的雜散點會普遍的高出 ACLR 均值，所以如果 ACLR 指標本身沒有余量，SEM 就很容易超標。反之 SEM 超標并不一定意味著 ACLR 不良，有一種常見的現(xiàn)象就是有 LO 的雜散或者某個時鐘與 LO 調(diào)制分量（往往帶寬很窄，類似點頻）串入發(fā)射機鏈路，這時候即便 ACLR 很好，SEM 也可能超標。

7、EVM（誤差矢量）

首先，EVM 是一個矢量值，也就是說它有幅度和角度，它衡量的是“實際信號與理想信號的誤差”，這個量度可以有效的表達發(fā)射信號的“質(zhì)量”——實際信號的點距離理想信號越遠，誤差就越大，EVM 的模值就越大。

在（一）中我們曾經(jīng)解釋過為什么發(fā)射信號的信噪比不是那么重要，原因有二：第一是發(fā)射信號的 SNR 往往遠遠高于接收機解調(diào)所需要的 SNR；第二是我們計算接收靈敏度時參考的是接收機最惡劣的情況，即在經(jīng)過大幅度空間衰落之后，發(fā)射機噪聲早已淹沒在自然噪聲底之下，而有用信號也被衰減到接收機的解調(diào)門限附近。

但是發(fā)射機的“固有信噪比”在某些情況下是需要被考慮的，譬如近距離無線通信，典型的如 802.11 系列。

802.11 系列演進到 802.11ac 的時候，已經(jīng)引入了 256QAM 的調(diào)制，對于接收機而言，即便不考慮空間衰落，光是解調(diào)這樣高階的正交調(diào)制信號就已經(jīng)需要很高的信噪比，EVM 越差，SNR 就越差，解調(diào)難度就越高。

做 802.11 系統(tǒng)的工程師，往往用 EVM 來衡量 Tx 線性度；而做 3GPP 系統(tǒng)的工程師，則喜歡用 ACLR/ACPR/Spectrum 來衡量 Tx 線性性能。

從起源上講，3GPP 是蜂窩通信的演進道路，從一開始就不得不關(guān)注鄰信道、隔信道（adjacent channel, alternative channel）的干擾。換句話說，干擾是影響蜂窩通信速率的第一大障礙，所以 3GPP 在演進的過程中，總是以“干擾最小化”為目標的：GSM 時代的跳頻，UMTS 時代的擴頻，LTE 時代 RB 概念的引入，都是如此。

而 802.11 系統(tǒng)是固定無線接入的演進，它是秉承 TCP/IP 協(xié)議精神而來，以“盡最大能力的服務(wù)”為目標，802.11 中經(jīng)常會有時分或者跳頻的手段來實現(xiàn)多用戶共存，而布網(wǎng)則比較靈活（畢竟以局域網(wǎng)為主），信道寬度也靈活可變?？偟膩碚f它對干擾并不敏感（或者說容忍度比較高）。

通俗的講，就是蜂窩通信的起源是打電話，打不通電話用戶會去電信局砸場子；802.11 的起源是局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)不好大概率是先耐著性子等等（其實這時候設(shè)備是在作糾錯和重傳）。

這就決定了 3GPP 系列必然以 ACLR/ACPR 一類“頻譜再生”性能為指標，而 802.11 系列則可以以犧牲速率來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

具體說來，“以犧牲速率來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境”，就是指的 802.11 系列中以不同的調(diào)制階數(shù)來應(yīng)對傳播條件：當接收機發(fā)現(xiàn)信號差，就立即通知對面的發(fā)射機降低調(diào)制階數(shù)，反之亦然。前面提到過，802.11 系統(tǒng)中 SNR 與 EVM 相關(guān)很大，很大程度上 EVM 降低可以提高 SNR。這樣我們就有兩種途徑改善接收性能：一是降低調(diào)制階數(shù)，從而降低解調(diào)門限；二是降低發(fā)射機 EVM，使得信號 SNR 提高。

因為 EVM 與接收機解調(diào)效果密切相關(guān)，所以 802.11 系統(tǒng)中以 EVM 來衡量發(fā)射機性能（類似的，3GPP 定義的蜂窩系統(tǒng)中，ACPR/ACLR 是主要影響網(wǎng)絡(luò)性能的指標）；又因為發(fā)射機對 EVM 的惡化主要因為非線性引起（譬如 PA 的 AM-AM 失真），所以 EVM 通常作為衡量發(fā)射機線性性能的標志。

7.1、EVM 與 ACPR/ACLR 的關(guān)系

很難定義 EVM 與 ACPR/ACLR 的定量關(guān)系，從放大器的非線性來看，EVM 與 ACPR/ACLR 應(yīng)該是正相關(guān)的：放大器的 AM-AM、AM-PM 失真會擴大 EVM，同時也是 ACPR/ACLR 的主要來源。

但是 EVM 與 ACPR/ACLR 并不總是正相關(guān)，我們這里可以找到一個很典型的例子：數(shù)字中頻中常用的 Clipping，即削峰。Clipping 是削減發(fā)射信號的峰均比（PAR），峰值功率降低有助于降低通過 PA 之后的 ACPR/ACLR；但是 Clipping 同時會損害 EVM，因為無論是限幅（加窗）還是用濾波器方法，都會對信號波形產(chǎn)生損傷，因而增大 EVM。

7.2、PAR 的源流

PAR（信號峰均比）通常用 CCDF 這樣一個統(tǒng)計函數(shù)來表示，其曲線表示的是信號的功率（幅度）值和其對應(yīng)的出現(xiàn)概率。譬如某個信號的平均功率是 10dBm，它出現(xiàn)超過 15dBm 功率的統(tǒng)計概率是 0.01%，我們可以認為它的 PAR 是 5dB。

PAR 是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中發(fā)射機頻譜再生（諸如 ACLP/ACPR/Modulation Spectrum）的重要影響因素。峰值功率會將放大器推入非線性區(qū)從而產(chǎn)生失真，往往峰值功率越高、非線性越強。

在 GSM 時代，因為 GMSK 調(diào)制的衡包絡(luò)特性，所以 PAR=0，我們在設(shè)計 GSM 功放的時候經(jīng)常把它推到 P1dB，以得到最大限度的效率。引入 EDGE 之后，8PSK 調(diào)制不再是衡包絡(luò)，因此我們往往將功放的平均輸出功率推到 P1dB 以下 3dB 左右，因為 8PSK 信號的 PAR 是 3.21dB。

UMTS 時代，無論 WCDMA 還是 CDMA，峰均比都比 EDGE 大得多。原因是碼分多址系統(tǒng)中信號的相關(guān)性：當多個碼道的信號在時域上疊加時，可能出現(xiàn)相位相同的情況，此時功率就會呈現(xiàn)峰值。

LTE 的峰均比則是源自 RB 的突發(fā)性。OFDM 調(diào)制是基于將多用戶／多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在時域上和頻域上都分塊的原理，這樣就可能在某一“時間塊”上出現(xiàn)大功率。LTE 上行發(fā)射用 SC-FDMA，先用 DFT 將時域信號擴展到頻域上，等于“平滑”掉了時域上的突發(fā)性，從而降低了 PAR。

8、干擾指標匯總

這里的“干擾指標”，指的是出了接收機靜態(tài)靈敏度之外，各種施加干擾下的靈敏度測試。實際上研究這些測試項的由來是很有意思的。

我們常見的干擾指標，包括 Blocking，Desense，Channel Selectivity 等。

8.1、Blocking（阻塞）

Blocking 實際上是一種非常古老的 RF 指標，早在雷達發(fā)明之初就有。其原理是以大信號灌入接收機（通常最遭殃的是第一級 LNA），使得放大器進入非線性區(qū)甚至飽和。此時一方面放大器的增益驟然變小，另一方面產(chǎn)生極強非線性，因而對有用信號的放大功能就無法正常工作了。

另一種可能的 Blocking 其實是通過接收機的 AGC 來完成的：大信號進入接收機鏈路，接收機 AGC 因此產(chǎn)生動作降低增益以確保動態(tài)范圍；但是同時進入接收機的有用信號電平很低，此時增益不足，進入到解調(diào)器的有用信號幅度不夠。

Blocking 指標分為帶內(nèi)和帶外，主要是因為射頻前端一般會有頻帶濾波器，對于帶外 blocking 會有抑制作用。但是無論帶內(nèi)還是帶外，Blocking 信號一般都是點頻，不帶調(diào)制。事實上完全不帶調(diào)制的點頻信號在現(xiàn)實世界里并不多見，工程上只是把它簡化成點頻，用以（近似）替代各種窄帶干擾信號。

對于解決 Blocking，主要是 RF 出力，說白了就是把接收機 IIP3 提高，動態(tài)范圍擴大。對于帶外 Blocking，濾波器的抑制度也是很重要的。

8.2、AM Suppression

AM Suppression 是 GSM 系統(tǒng)特有的指標，從描述上看，干擾信號是與 GSM 信號相似的 TDMA 信號，與有用信號同步且有固定 delay。

這種場景是模擬 GSM 系統(tǒng)中鄰近小區(qū)的信號，從干擾信號的頻偏要求大于 6MHz（GSM 帶寬 200kHz）來看，這是很典型的鄰近小區(qū)信號配置。所以我們可以認為 AM Suppression 是一個反映 GSM 系統(tǒng)實際工作中接收機對鄰小區(qū)的干擾容忍度。

8.2、Adjacent (Alternative) Channel Suppression (Selectivity)

這里我們統(tǒng)稱為“鄰信道選擇性”。在蜂窩系統(tǒng)中，我們組網(wǎng)除了要考慮同頻小區(qū)，還要考慮鄰頻小區(qū)，其原因可以在我們之前討論過的發(fā)射機指標 ACLR/ACPR/Modulation Spectrum 中可以找到：因為發(fā)射機的頻譜再生會有很強的信號落到相鄰頻率中（一般來說頻偏越遠電平越低，所以鄰信道一般是受影響最大的），而且這種頻譜再生事實上是與發(fā)射信號有相關(guān)性的，即同制式的接收機很可能把這部分再生頻譜誤認為是有用信號而進行解調(diào)，所謂鵲巢鳩占。

舉個例子：如果兩個相鄰小區(qū) A 和 B 恰好是鄰頻小區(qū)（一般會避免這樣的組網(wǎng)方式，這里只是討論一個極限場景），當一臺注冊到 A 小區(qū)的終端游走到兩個校區(qū)交界處，但是兩個小區(qū)的信號強度還沒有到切換門限，因此終端依然保持 A 小區(qū)連接；B 小區(qū)基站發(fā)射機的 ACPR 較高，因此終端的接收頻帶內(nèi)有較高的 B 小區(qū) ACPR 分量，與 A 小區(qū)的有用信號在頻率上重疊；因為此時終端距離 A 小區(qū)基站較遠，因此接收到的 A 小區(qū)有用信號強度也很低，此時 B 小區(qū) ACPR 分量進入到終端接收機時就可以對原有用信號造成同頻干擾。

如果我們注意看鄰道選擇性的頻偏定義，會發(fā)現(xiàn)有 Adjacent 和 Alternative 的區(qū)別，對應(yīng) ACLR/ACPR 的第一鄰道、第二鄰道，可見通信協(xié)議中“發(fā)射機頻譜泄漏（再生）”與“接收機鄰道選擇性”實際上是成對定義的。

8.3、Co-Channel Suppression (Selectivity)

這種描述的是絕對的同頻干擾，一般是指兩個同頻小區(qū)之間的干擾模式。

按照之前我們描述的組網(wǎng)原則，兩個同頻小區(qū)的距離應(yīng)該盡量遠，但是即便再遠，也會有信號彼此泄漏，只是強度高低的區(qū)別。對于終端而言，兩個校區(qū)的信號都可以認為是“正確的有用信號”（當然協(xié)議層上有一組接入規(guī)范來防范這種誤接入），衡量終端的接收機能否避免“西風壓倒東風”，就看它的同頻選擇性。

8.4 總結(jié)

Blocking 是“大信號干擾小信號”，RF 尚有周旋余地；而以上的 AM Suppression, Adjacent (Co/Alternative) Channel Suppression (Selectivity)這些指標，是“小信號干擾大信號”，純 RF 的工作意義不大，還是靠物理層算法為主。

Single-tone Desense 是 CDMA 系統(tǒng)獨有的指標，它有個特點：作為干擾信號的 single-tone 是帶內(nèi)信號，而且距離有用信號很近。這樣就有可能產(chǎn)生兩種信號落到接收頻域內(nèi)：第一種是由于 LO 的近端相噪，LO 與有用信號混頻形成的基帶信號、和 LO 相噪與干擾信號混頻形成的信號，都會落到接收機基帶濾波器的范圍之內(nèi)，前者是有用的信號而后者是干擾；第二種是由于接收機系統(tǒng)中的非線性，有用信號（有一定帶寬，譬如 1.2288MHz 的 CDMA 信號）可能與干擾信號在非線性器件上產(chǎn)生交調(diào)，而交調(diào)產(chǎn)物有可能同樣落在接收頻域之內(nèi)成為干擾。

Single-tone desense 的起源是北美在發(fā)起 CDMA 系統(tǒng)時，與原有的模擬通信系統(tǒng) AMPS 采用了同一頻段，兩張網(wǎng)長期共存，作為后來者的 CDMA 系統(tǒng)必須考慮 AMPS 系統(tǒng)對自身的干擾。

到這里我想起當年被稱為“通則不動，動則不通”的小靈通，因為長期占用 1900～1920MHz 頻率，所以天朝 TD-SCDMA/TD-LTE B39 的實施一直是在 B39 的低段 1880～1900MHz，直到小靈通退網(wǎng)為止。

教科書上對 Blocking 的解釋比較簡單：大信號進入接收機放大器使得放大器進入非線性區(qū)，實際增益變小（對有用信號的）。

但是這樣很難解釋兩種場景：

場景一：前級 LNA 線性增益 18dB，當大信號灌入使其達到 P1dB 的時候，增益是 17dB；如果沒有引入其他影響（默認 LNA 的 NF 等都沒有發(fā)生變化），那么對整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)影響其實非常有限，無非是后級 NF 在計入到總 NF 時分母變小了一點，對整個系統(tǒng)的靈敏度影響不大。

場景二：前級 LNA 的 IIP3 很高因此沒有受影響，受影響的是第二級 gain block（干擾信號使其達到 P1dB 附近），在這種情況下整個系統(tǒng) NF 的影響就更小了。

我在這里拋磚引玉，提出一個觀點：Blocking 的影響可能分兩部分，一部分是教科書上所講的 Gain 受到壓縮，另一部分實際上是放大器進入非線性區(qū)之后，有用信號在這個區(qū)域里發(fā)生了失真。這種失真可能包括兩部分，一部分是純粹的放大器非線性造成有用信號的頻譜再生（諧波分量），另一部分是大信號調(diào)制小信號的 Cross Modulation。（可以理解）

由此我們還提出另一個設(shè)想：如果我們要簡化 Blocking 測試（3GPP 要求是掃頻，非常費時間），也許可以選取某些頻點，這些頻點出現(xiàn) Blocking 信號時對有用信號的失真影響最大。

從直觀上看，這些頻點可能有：f0/N 和 f0*N（f0 是有用信號頻率，N 是自然數(shù)）。前者是因為大信號在非線性區(qū)自身產(chǎn)生的 N 次諧波分量正好疊加在有用信號頻率 f0 上形成直接干擾，后者是疊加在有用信號 f0 的 N 次諧波上進而影響到輸出信號 f0 的時域波形——解釋一下：根據(jù)帕塞瓦爾定律，時域信號的波形實際上是頻域基頻信號與各次諧波的總和，當頻域上 N 次諧波的功率發(fā)生變化時，時域上對應(yīng)的變化就是時域信號的包絡(luò)變化（發(fā)生了失真）。

9、動態(tài)范圍，溫度補償與功率控制

動態(tài)范圍，溫度補償和功率控制很多情況下是“看不到”的指標，只有在進行某些極限測試的時候才會表現(xiàn)出它們的影響，但是本身它們卻體現(xiàn)著 RF 設(shè)計中最精巧的部分。

9.1、發(fā)射機動態(tài)范圍

發(fā)射機動態(tài)范圍表征的是發(fā)射機“不損害其他發(fā)射指標前提下”的最大發(fā)射功率和最小發(fā)射功率。

“不損害其他發(fā)射指標”顯得很寬泛，如果看主要影響，可以理解為：最大發(fā)射功率下不損害發(fā)射機線性度，最小發(fā)射功率下保持輸出信號信噪比。

最大發(fā)射功率下，發(fā)射機輸出往往逼近各級有源器件（尤其末級放大器）的非線性區(qū)，由此經(jīng)常發(fā)生的非線性表現(xiàn)有頻譜泄漏和再生（ACLR/ACPR/SEM），調(diào)制誤差（PhaseError/EVM）。此時最遭殃的基本上都是發(fā)射機線性度，這一部分應(yīng)該比較好理解。

最小發(fā)射功率下，發(fā)射機輸出的有用信號則是逼近發(fā)射機噪聲底，甚至有被“淹沒”在發(fā)射機噪聲中的危險。此時需要保障的是輸出信號的信噪比（SNR），換句話說就是在最小發(fā)射功率下的發(fā)射機噪聲底越低越好。

在實驗室曾經(jīng)發(fā)生過一件事情：有工程師在測試 ACLR 的時候，發(fā)現(xiàn)功率降低 ACLR 反而更差（正常理解是 ACLR 應(yīng)該隨著輸出功率降低而改善），當時第一反應(yīng)是儀表出問題了，但是換一臺儀表測試結(jié)果依然如此。我們給出的指導意見是測試低輸出功率下的 EVM，發(fā)現(xiàn) EVM 性能很差；我們判斷可能是 RF 鏈路入口處的噪聲底就很高，對應(yīng)的 SNR 顯然很差，ACLR 的主要成分已經(jīng)不是放大器的頻譜再生、而是通過放大器鏈路被放大的基帶噪聲。

9.2、接收機動態(tài)范圍

接收機動態(tài)范圍其實與之前我們講過的兩個指標有關(guān)，第一個是參考靈敏度，第二個是接收機 IIP3（在講干擾指標的時候多次提到）。

參考靈敏度實際上表征的就是接收機能夠識別的最小信號強度，這里不再贅述。我們主要談一下接收機的最大接收電平。

最大接收電平是指接收機在不發(fā)生失真情況下能夠接收的最大信號。這種失真可能發(fā)生在接收機的任何一級，從前級 LNA 到接收機 ADC。對于前級 LNA，我們唯一可做的就是盡量提高 IIP3，使其可以承受更高的輸入功率；對于后面逐級器件，接收機則采用了 AGC（自動增益控制）來確保有用信號落在器件的輸入動態(tài)范圍之內(nèi)。簡單的說就是有一個負反饋環(huán)路：檢測接收信號強度（過低／過高）－調(diào)整放大器增益（調(diào)高／調(diào)低）－放大器輸出信號確保落在下一級器件的輸入動態(tài)范圍之內(nèi)。

這里我們講一個例外：多數(shù)手機接收機的前級 LNA 本身就帶有 AGC 功能，如果你仔細研究它們的 datasheet，會發(fā)現(xiàn)前級 LNA 會提供幾個可變增益段，每個增益段有其對應(yīng)的噪聲系數(shù)，一般來講增益越高、噪聲系數(shù)越低。這是一種簡化的設(shè)計，其設(shè)計思想在于：接收機 RF 鏈路的目標是將輸入到接收機 ADC 的有用信號保持在動態(tài)范圍之內(nèi)，且保持 SNR 高于解調(diào)門限（并不苛求 SNR 越高越好，而是“夠用就行”，這是一種很聰明的做法）。因此當輸入信號很大時，前級 LNA 降低增益、損失 NF、同時提高 IIP3；當輸入信號小時，前級 LNA 提高增益、減小 NF、同時降低 IIP3。

9.3、溫度補償

一般來講，我們只在發(fā)射機作溫度補償。

當然，接收機性能也是受到溫度影響的：高溫下接收機鏈路增益降低，NF 增高；低溫下接收機鏈路增益提高，NF 降低。但是由于接收機的小信號特性，無論增益還是 NF 的影響都在系統(tǒng)冗余范圍之內(nèi)。

對于發(fā)射機溫度補償，也可以細分為兩部分：一部分是對發(fā)射信號功率準確度的補償，另一部分是對發(fā)射機增益隨溫度變化進行補償。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)射機一般都進行閉環(huán)功控（除了略為“古老”的 GSM 系統(tǒng)和 Bluetooth 系統(tǒng)），因此經(jīng)過生產(chǎn)程序校準的發(fā)射機，其功率準確度事實上取決于功控環(huán)路的準確度。一般來講功控環(huán)路是小信號環(huán)路，且溫度穩(wěn)定性很高，所以對其進行溫度補償?shù)男枨蟛⒉桓?，除非功控環(huán)路上有溫度敏感器件（譬如放大器）。

對發(fā)射機增益進行溫度補償則更加常見。這種溫度補償常見的有兩種目的：一種是“看得見的”，通常對沒有閉環(huán)功控的系統(tǒng)（如前述 GSM 和 Bluetooth），這類系統(tǒng)通常對輸出功率精確度要求不高，所以系統(tǒng)可以應(yīng)用溫度補償曲線（函數(shù)）來使 RF 鏈路增益保持在一個區(qū)間之內(nèi)，這樣當基帶 IQ 功率固定而溫度發(fā)生變化時，系統(tǒng)輸出的 RF 功率也能保持在一定范圍之內(nèi)；另一種是“看不見的”，通常是在有閉環(huán)功控的系統(tǒng)中，雖然天線口的 RF 輸出功率是由閉環(huán)功控精確控制的，但是我們需要保持 DAC 輸出信號在一定范圍內(nèi)（最常見的例子是基站發(fā)射系統(tǒng)數(shù)字預失真（DPD）的需要），那么我們就需要將整個 RF 鏈路的增益比較精確的控制在某個值左右——溫補的目的就在于此。

發(fā)射機溫補的手段一般有可變衰減器或者可變放大器：早期精度稍低以及低成本精度要求較低的情況下，溫補衰減器比較常見；對精度要求更高的情形下，解決方案一般是：溫度傳感器＋數(shù)控衰減器／放大器＋生產(chǎn)校準。

9.4 發(fā)射機功率控制

講完動態(tài)范圍和溫度補償，我們來講一個相關(guān)的、而且非常重要的概念：功率控制。

發(fā)射機功控是大多數(shù)通信系統(tǒng)中必需的功能，在 3GPP 中常見的諸如 ILPC、OLPC、CLPC，在 RF 設(shè)計中都是必需被測試、經(jīng)常出問題、原因很復雜的。我們首先來講發(fā)射機功控的意義。

所有的發(fā)射機功控目的都包含兩點：功耗控制和干擾抑制。

我們首先說功耗控制：在移動通信中，鑒于兩端距離變化以及干擾電平高低不同，對發(fā)射機而言，只需要保持“足夠讓對方接收機準確解調(diào)”的信號強度即可；過低則通信質(zhì)量受損，過高則空耗功率毫無意義。對于手機這樣以電池供電的終端更是如此，每一毫安電流都需錙銖必量。

干擾抑制則是更加高級的需求。在 CDMA 類系統(tǒng)中，由于不同用戶共享同一載頻（而以正交用戶碼得以區(qū)分），因此在到達接收機的信號中，任何一個用戶的信號對于其他用戶而言，都是覆蓋在同一頻率上的干擾，若各個用戶信號功率有高有高低，那么高功率用戶就會淹沒掉低功率用戶的信號；因此 CDMA 系統(tǒng)采取功率控制的方式，對于到達接收機的不同用戶的功率（我們稱之為空中接口功率，簡稱空口功率），發(fā)出功控指令給每個終端，最終使得每個用戶的空口功率一樣。這種功控有兩個特點：第一是功控精度非常高（干擾容限很低），第二是功控周期非常短（信道變化可能很快）。

在 LTE 系統(tǒng)中，上行功控也有干擾抑制的作用。因為 LTE 上行是 SC-FDMA，多用戶也是共享載頻，彼此間也互為干擾，所以空口功率一致同樣也是必需的。

GSM 系統(tǒng)也是有功控的，GSM 中我們用“功率等級”來表征功控步長，每個等級 1dB，可見 GSM 功率控制是相對粗糙的。

干擾受限系統(tǒng)

這里提一個相關(guān)的概念：干擾受限系統(tǒng)。CDMA 系統(tǒng)是一個典型的干擾受限系統(tǒng)。從理論上講，如果每個用戶碼都完全正交、可以通過交織、解交織完全區(qū)分開來，那么實際上 CDMA 系統(tǒng)的容量可以是無限的，因為它完全可以在有限的頻率資源上用一層層擴展的用戶碼區(qū)分無窮多的用戶。但是實際上由于用戶碼不可能完全正交，因此在多用戶信號解調(diào)時不可避免的引入噪聲，用戶越多噪聲越高，直到噪聲超過解調(diào)門限。

換而言之，CDMA 系統(tǒng)的容量受限于干擾（噪聲）。

GSM 系統(tǒng)不是一個干擾受限系統(tǒng)，它是一個時域和頻域受限的系統(tǒng)，它的容量受限于頻率（200kHz 一個載頻）和時域資源（每個載頻上可共享 8 個 TDMA 用戶）。所以 GSM 系統(tǒng)的功控要求不高（步長較粗糙，周期較長）。

9.5 發(fā)射機功率控制與發(fā)射機 RF 指標

講完發(fā)射機功控，我們進而討論一下在 RF 設(shè)計中可能影響發(fā)射機功控的因素（相信很多同行都遇到過閉環(huán)功控測試不過的郁悶場景）。

對于 RF 而言，如果功率檢測（反饋）環(huán)路設(shè)計無誤，那么我們對發(fā)射機閉環(huán)功控能做的事情并不多（絕大多數(shù)工作都是由物理層協(xié)議算法完成的），最主要的就是發(fā)射機帶內(nèi)平坦度。

因為發(fā)射機校準事實上只會在有限的幾個頻點上進行，尤其在生產(chǎn)測試中，做的頻點越少越好。但是實際工作場景中，發(fā)射機是完全可能在頻段內(nèi)任一載波工作的。在典型的生產(chǎn)校準中，我們會對發(fā)射機的高中低頻點進行校準，意味著高中低頻點的發(fā)射功率是準確的，所以閉環(huán)功控在進行過校準的頻點上也是無誤的。然而，如果發(fā)射機發(fā)射功率在整個頻段內(nèi)不平坦，某些頻點的發(fā)射功率與校準頻點偏差較大，因此以校準頻點為參考的閉環(huán)功控在這些頻點上也會發(fā)生較大誤差乃至出錯。

審核編輯黃昊宇