番外10：使用ADS對(duì)射頻功率放大器進(jìn)行非線性測(cè)試2（使用帶寬20MHz的64QAM信號(hào)進(jìn)行ACLR、EVM、CCDF測(cè)試）

1、基本理論

功率放大器的非線性性能十分重要，特別是對(duì)于當(dāng)前廣泛使用的移動(dòng)設(shè)備。由于其各種復(fù)雜的信號(hào)調(diào)制，功率放大器的實(shí)際的非線性性能最好要使用調(diào)制信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，而不是單音或者雙音信號(hào)。查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常使用的測(cè)試調(diào)制信號(hào)為以下幾種：

帶寬為5MHz的W-CDMA信號(hào)（6.5dB左右的PAPR）：High_Efficiency_Wideband_Power_Amplifier_with_Class-J_Configuration
帶寬為20MHz的LTE信號(hào)（7.5dB左右的PAPR）：
Broadband Class-JF?1 Continuum Mode_Design_Utilizing_Harmonic
帶寬為20MHz的16QAM信號(hào)（5.5dB左右的PAPR）：
A_Generalized_HighEfficiency_Broadband_ClassE_F3_Power_Amplifier_Based_on_Design_Space_Expanding_of_Load_Network
帶寬為500KHz的MSK調(diào)制的GSM信號(hào)：
Design_of_Highly_Efficient_Broadband_Class-E_Power_Amplifier_Using_Synthesized_Low-Pass_Matching_Networks
帶寬為270KHz的MSK調(diào)制的GSM信號(hào)：
Broadband_GaN_ClassE_Power_Amplifier_for_Load_Modulated_Delta_Sigma_and_5G_Transmitter_Applications
帶寬為20MHz的64QAM信號(hào)（6.5dB左右的PAPR）：
Design_of_Broadband_HighEfficiency_Power_Amplifier_Through_Interpolations_on_Continuous_Operation-Modes

等等等等

調(diào)制信號(hào)的重要非線性指標(biāo)測(cè)試—ACLR
ACLR（Adjacent Channel Leakage Power Ratio）
測(cè)試目的：避免對(duì)鄰近信道產(chǎn)生干擾；
LTE和ACLR測(cè)試除了需要測(cè)試自身帶寬相同的鄰信道泄漏功率比（E-UTRA ACLR），還需測(cè)試在5MHz（WCDMA）或1.6MHz（TDSCDMA）帶寬內(nèi)的ACLR（UTRA-ACLR1,UTRA-ACLR2）。

ACLR來(lái)源：載波的交調(diào)產(chǎn)物，寬帶系統(tǒng)頻率分量豐富，不同頻率的載波之間在經(jīng)過(guò)非線性器之后相互調(diào)制，比如f1+f2,2f1+f2,2f2+f1,2f1-f2,2f2-f1等產(chǎn)物，但真正落在相鄰頻段的只是三階交調(diào)產(chǎn)物，3f1-2f2,3f2-2f1；ACLR產(chǎn)生的根源在于Transceiver和PA，其中PA占大頭；

ACLR信號(hào)的基本要求（數(shù)據(jù)來(lái)自etsi.org）：

調(diào)制信號(hào)的重要非線性指標(biāo)測(cè)試—EVM
誤差向量幅度（EVM, Error Vector Magnitude）：誤差向量（包括幅度和相位的矢量）是在一個(gè)給定時(shí)刻理想無(wú)誤差基準(zhǔn)信號(hào)與實(shí)際發(fā)射信號(hào)的向量差。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)發(fā)射的信號(hào)是不是會(huì)落在預(yù)期的星座點(diǎn)上，以下面的16QAM星座圖為例，距離理想點(diǎn)越遠(yuǎn)，EVM也越大。而影響射頻系統(tǒng)EVM的主要問(wèn)題是其非線性，其中的大頭是功率放大器的影響。

ACLR信號(hào)的基本要求（數(shù)據(jù)來(lái)自etsi.org）：

調(diào)制信號(hào)的重要輸入指標(biāo)—CCDF &PAPR
CCDF ：互補(bǔ)累計(jì)分布函數(shù)，可以這么理解，橫坐標(biāo)為X，縱軸表示概率，對(duì)應(yīng)CCDF上的點(diǎn)值表示大于這個(gè)X的PAPR的概率。CCDF和PAPR基本相關(guān)，參考博客：
https://blog.csdn.net/xinyizhangwei/article/details/21173759

2、基于ADS的20MHz帶寬—64QAM信號(hào)測(cè)試

拿出我自己設(shè)計(jì)的一個(gè)PA，其版圖仿真的性能參數(shù)如下所示：
器件：CGH40010F
類(lèi)型：自己設(shè)計(jì)的寬帶E類(lèi)
頻率：2.5GHz-3.9GHz
PAE：61.649-70.339
DE：65.239-73.452
Gain：10.5-11.6dB
Pout：40.5-41.6dBm
建立如下的一個(gè)symbol，留出四個(gè)接口，分別為輸入、輸出、柵極電壓、漏極電壓：


在此使用ADS的VTB平臺(tái)和SystemVue進(jìn)行聯(lián)合仿真，使用此VTB功能可能需要額外的許可證，在此從器件欄中選擇：

選擇第一個(gè)：

選擇5G中的DL的發(fā)射分析組件：

按照下面的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試（其中Modulation選擇為3，表示為64QAM。此外，1為QPSK，2為16QAM，4為256QAM。帶寬為20MHz。輸入信號(hào)的平均功率為20dbm）：

整體的電路如下所示：

運(yùn)行仿真，可能需要半個(gè)小時(shí)左右。

3、結(jié)果展示與分析

首先是輸出信號(hào)的頻譜圖，目視ACLR在-3dbc左右：

測(cè)試也可以提供了準(zhǔn)確的ACLR數(shù)值，如下表所示：

由此可見(jiàn)其ACLR性能還算可以，讀者也可以和文章：
Design_of_Broadband_High-Efficiency_Power_Amplifier_Through_Interpolations_on_Continuous_Operation-Modes
中的測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，兩者使用的同一個(gè)調(diào)制方式和輸入信號(hào)的幅度（但是我這里是版圖仿真結(jié)果）。

此處設(shè)置的輸入功率平均為20dbm，這是為什么呢。下面給出大概的答案。輸入和輸出的平均功率如下表所示，由此可見(jiàn)輸出信號(hào)的平均功率為33.8dBm，放大了13dB左右：

輸入和輸出的峰值功率如下所示，由此可見(jiàn)輸出的峰值功率達(dá)到了40.9dbm左右，達(dá)到了晶體管的額定的功率，這是此處輸入20dbm的一個(gè)原因：

仿真得到的EVM為1.259，如下所示，非常完美，但是是版圖仿真得到的，而非實(shí)際測(cè)試，測(cè)試時(shí)可以加入噪聲來(lái)進(jìn)一步模擬實(shí)際情況。

下面對(duì)信號(hào)的CCDF和PAPR進(jìn)行分析，得到的CCDF曲線如下所示：

無(wú)線信號(hào)從時(shí)域上觀測(cè)是幅度不斷變化的正弦波，幅度并不恒定，一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)幅度峰值和其他周期內(nèi)的幅度峰值是不一樣的，因此每個(gè)周期的平均功率和峰值功率是不一樣的。在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，峰值功率是以某種概率出現(xiàn)的最大瞬態(tài)功率，通常概率取為0.01。在這個(gè)概率下的峰值功率跟系統(tǒng)總的平均功率的比就是峰均比。此處在CCDF為1時(shí)的橫坐標(biāo)基本代表了信號(hào)的PAPR，此處為8.5dB左右。

此處測(cè)試基本完成，下面有空介紹一下在ADS如何使用DPD來(lái)提升PA的線性度。作者也是初學(xué)者，如有錯(cuò)誤歡迎評(píng)論區(qū)指出。

4、應(yīng)用數(shù)字預(yù)失真DPD

此處輸入功率修改為18.7dBm。創(chuàng)建如下的DPD原理圖（使用ADS模板，路徑ADS2023\examples\Signals_and_Systems\Wireless）：

設(shè)置輸入信號(hào)為18.7dbm：

放置待測(cè)PA：

設(shè)置待測(cè)參數(shù)，為64QAM的帶寬20MHz的3GHz信號(hào)（只需要修改NR開(kāi)頭的參數(shù)）：

點(diǎn)擊運(yùn)行，需要十分鐘左右。

4、DPD后的結(jié)果對(duì)比

預(yù)失真前后的頻譜圖對(duì)比：

輸入信號(hào)、放大后的原始信號(hào)、預(yù)失真后的信號(hào)的ACLR對(duì)比：

輸入信號(hào)、放大后的原始信號(hào)、預(yù)失真后的信號(hào)的輸入均值功率、峰值功率表：

輸入信號(hào)、放大后的原始信號(hào)、預(yù)失真后的信號(hào)的EVM性能：

由此可見(jiàn)設(shè)計(jì)的PA在3GHz內(nèi)滿足設(shè)計(jì)的要求。但是此處設(shè)計(jì)的PA頻率范圍為2.5GHz-3.9GHz。在此對(duì)3.8GHz的信號(hào)和2.5GHz的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。
下面是3.8GHz的非線性測(cè)試簡(jiǎn)要結(jié)果：


下面是2.6GHz的非線性測(cè)試簡(jiǎn)要結(jié)果：