P1dB的重要性及功率回退機(jī)制原理

之前有個網(wǎng)友私信我，關(guān)于P1dB的回退原因,周末的時候抽空搞了一下，供參考，如有錯誤煩請指正。

在射頻領(lǐng)域，我們通常會聽到功率回退機(jī)制，什么是功率回退呢？

功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(diǎn)(相當(dāng)于放大器線性區(qū)和非線性區(qū)的臨界點(diǎn)）向后回退3-10dB(根據(jù)信號調(diào)制復(fù)雜度而定)，工作在遠(yuǎn)小于1dB壓縮點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠(yuǎn)離飽和區(qū)，進(jìn)入線性工作區(qū)，從而改善功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)。

我們?yōu)槭裁匆捎霉β驶赝藱C(jī)制呢？

當(dāng)我們信號調(diào)制比較復(fù)雜的時候（比如256QAM調(diào)制），又不想做額外的復(fù)雜的設(shè)計(jì)以保證信號不失真的時候，我們采用功率回退方法。

比如，現(xiàn)在有個項(xiàng)目，工作頻段是1.6GHz，但是這個頻段，市面上沒有專用的功放，只好選用通用的功放，但是通用的功放在這個頻段沒有做設(shè)計(jì)調(diào)試、測試，規(guī)格書上沒有對應(yīng)的線性度參數(shù)（比如WIFI 類，LTE類功放，它們有對應(yīng)的線性度參數(shù)，如EVM，ACLR/ACPR等），我們無法掌握其線性度參數(shù)如何，怎么辦？

這個時候，我們就可以根據(jù)功放的P1dB和IP3參數(shù)結(jié)合功率回退方法確定是否可以滿足需求。（關(guān)于如何確定在前面的一篇文章有講過一些些，大家可以回頭看看）。

1.飽和失真，截止失真

此處單講線性放大器類，我們知道線性放大器的放大倍數(shù)是在線性區(qū)域固定的，不在線性區(qū)域，放大倍數(shù)就會變化如圖一。

打個比方，放大器的增益是10dB，你輸入1dBm,輸出是11dBm，如果你輸入20，超過了放大器的P1dB,那么輸出就不是10+20=30dBm了，可能是10+15=25dBm了。

為什么呢？我們來看一下圖二，以單一正弦波為例，根據(jù)放大器特性，當(dāng)輸入信號過大后，放大信號會同時進(jìn)入飽和區(qū)和截止區(qū)，輸出信號波峰和波谷被削減了，信號沒有達(dá)到預(yù)期的放大倍數(shù)，且波峰/波谷信號有畸變，這就是我們常說的失真

針對調(diào)制信號來說，其輸出平均功率是在帶寬內(nèi)的信號積分，如圖二，910MHz，帶寬是10MHz的頻譜，是由許許多多單頻點(diǎn)信號組成的，且每個頻點(diǎn)的功率不同，這些信號都失真了，那么最終的信號頻譜就完全失真了

汪二：我的功放就是線性功放啊，放大應(yīng)該是線性的?。∥夜ぷ髟赑1臨界點(diǎn)不就可以了嗎？

理論上是沒錯的，但是實(shí)際上放大器是一個非線性器件。常用的線性器件很少，比如電阻是線性器件，只要不燒壞，它對應(yīng)的電特性就基本上是線性的（ U=IR ），而放大器卻不是，我們常說的線性放大器是指其采用某種架構(gòu)（比如常說的B類放大器等），使其工作在線性區(qū)域，而有些放大器是采用工作在飽和區(qū)的（為了得到最大輸出功率而犧牲線性參數(shù)性能，應(yīng)用于對線性度要求不是很高，低數(shù)據(jù)量的調(diào)制信號—FSK，F(xiàn)FSK/MSK，GFSK等）。

而我們的調(diào)制信號是帶寬內(nèi)的信號積分，它有波峰/波谷，通常說的功率是指平均功率，平均功率是積分功率，那么它就有對應(yīng)的peak power，比如average power是20dBm, peak power有可能是27dBm，如果在p1臨界點(diǎn)上，就超出了P1dB,多了7dBm左右，如圖四，就有可能進(jìn)入飽和區(qū)，從而飽和失真（參考圖二所示）

故此，針對調(diào)制信號，我們通常會根據(jù)信號調(diào)制的復(fù)雜度來保持輸出信號低于P1dB 3~12dB,從而保證信號不失真。

如果信號是脈沖信號，就不存在信號積分問題，只要功放不工作在飽和區(qū)，或截止區(qū)，就不用考慮失真的問題，即工作在P1點(diǎn)上也沒有太大問題。

2.三階交調(diào)失真

前面單從基波信號在放大器本體上的失做了闡述，下面講一下交調(diào)失真。

當(dāng)兩個信號頻率f1和f2或多個信號頻率同時通過同一個無緣射頻傳輸系統(tǒng)時，由于傳輸系統(tǒng)的非線性影響，使基頻信號之間產(chǎn)生非線性頻率分量。這種現(xiàn)象被稱為交調(diào)，或稱互調(diào).

把非線性頻率分量稱為交調(diào)產(chǎn)物。這些交調(diào)產(chǎn)物如果落在接收頻帶內(nèi)，且信號強(qiáng)度又較大的話，則形成對基波信號頻率的干擾，稱這種干擾為無源交調(diào)干擾，或無源交調(diào)失真。

交調(diào)產(chǎn)物用下式表示：

F_IM=mf1±nf2········ 式中：f1、f2為輸入基波頻率；F_IM為交調(diào)頻率或稱交調(diào)產(chǎn)物

m、n為包括1在內(nèi)的正整數(shù)、m+n為交調(diào)的階數(shù)

例：當(dāng)m+n=3時，則為三階交調(diào)。

從圖五可以看書部分三階交調(diào)距離主信號很近（f1），很難通過濾波器過濾，對實(shí)際有效信號影響很大，而二階交調(diào)距離就遠(yuǎn)多了，這也是我們?yōu)槭裁磸?qiáng)調(diào)三階交調(diào)，而不是二階交調(diào)

因功放為非線性器件，功放的非線性可以用三階冪級數(shù)表征，高階非線性可以忽略。

設(shè)輸入信號為Ui=Vcos(ωt)

根據(jù)表征函數(shù)，輸出為Uo=a1Ui+ a2Ui2 +a3 *Ui3 （式一）

當(dāng)輸入單音信號時，帶入U(xiǎn)i計(jì)算

Uo=?a2V+(a1V+?a3V3)cos(ωt)+?a2V2cos(2ωt)+? a3*V3 *cos(3ωt) （式二）

從式二可以看出，由于功放的非線性原因，輸出信號除了有基頻信號（ω ）外，還有直流分量（ =?a2U ），二次諧波分量（2ω ），三次諧波分量（3ω ）

當(dāng)輸入雙音信號時

Uo=a1[Vcos(ω1t)+Vcos(ω2t)]+a2[vcos(ω1t)+Vcos(ω2t)]2+a3[Vcos(ω1t)+Vcos(ω2t)] 3

即：

Uo=a2V2+（a1V+9/4a3V3）cos(ω1t)+a1V+9/4a3*V3）cos(ω2t)+ )

• ?a2V2cos(2ω1t)+ )+?a2V2cos(2ω2t)+ a2V2cos(ω1t± ω2t)

+3/4* a3V3 cos(2ω1t±ω2t)+ 3/4* a3V3 cos(2ω2t±ω1t)+ )+?* a3V3 cos(3ω1t) +?* a3V3 cos(3ω2t) (式三)

從式三可以看出，輸出信號中除了基頻（ω 1，ω 2）外，還有直流分量（ a2V2 ），二次諧波（?a2V2cos(2ω1t)+ )+?a2V2cos(2ω2t)），三次諧波（? a3V3 cos(3ω1t) +?* a3V3 cos(3ω2t) ），及二階交調(diào)分量(a2V2cos(ω1t± ω2t)),三階交調(diào)分量（3/4* a3V3 cos(2ω1t±ω2t)+ 3/4* a3V3 cos(2ω2t±ω1t)+ )）

故此，因功放的非線性，功放輸出必然會有諧波分量，交調(diào)分量.

如果這些諧波和交調(diào)分量也很小，小到忽略不計(jì)的話，將不會影響輸出主信號。

如果二次諧波分量和交調(diào)分量過大的話，就會導(dǎo)致主信號輸出有較大失真，如圖六，二次諧波疊加在主頻信號上，使得信號失真

所以，我我們選器件的時候，都希望OIP3，IM3絕對值越大越好。

而OIP3和Output P1dB之間一般差10dB,即P1dB+15≥OIP3≥P1dB+10，所以，我們直接通過P1dB參數(shù)來看線性度

交調(diào)分量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下:

Pin：Input power
Pout：Output power
IM3：3rd order intermodulation product
IIP3：Input 3rd order intercept point
OIP3：Output 3rd order intercept point
G：Gain
P1dB：1dB compression point
IMD：The differences between output power and IM3

Pout (dBm) = Pin (dBm) + G (dB)
OIP3 (dBm) = IIP3 (dBm) + G (dB)
OIP3 (dBm) = Pout (dBm) +IMD/2 (dBc)
IIP3 (dBm) = Pin (dBm) +IMD/2 (dBc) （式四）

IM3 (dBm) = 3Pin (dBm) – 2IIP3 (dBm) + G (dB)

= 3Pout (dBm) – 2IIP3 (dBm) –2G (dB)
= 3Pout (dBm) – 2OIP3 (dBm)

根據(jù)上面數(shù)學(xué)式四，式三及經(jīng)驗(yàn)值

理論上：

輸入信號增加1dB,2次諧波，2階交調(diào)分量輸出信號增加2dB；

輸入信號增加1dB,3次諧波，3階交調(diào)分量輸出信號增加3dB左右(斜率為基波的3倍)；

換句話說，當(dāng)輸入信號功率降低1dB時（即將輸出功率進(jìn)行回退1dB），三階交調(diào)失真改善3dB。實(shí)際使用過程中，當(dāng)輸入信號功率降低1dB時，三階交調(diào)失真將會改善2dB左右。

但是當(dāng)功率回退到一定程度，三階交調(diào)制達(dá)到-50dBc以下時，繼續(xù)回退將不再改善放大器的線性度。因此，在線性度要求很高的場合，完全靠功率回退是不夠的。

以上為功率回退機(jī)制的用法，原理及實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)

功率回退法簡單且易實(shí)現(xiàn)，不需要增加任何附加設(shè)備，是改善放大器線性度行之有效的方法.