番外10：使用ADS对射频功率放大器进行非线性测试2（使用带宽20MHz的64QAM信号进行ACLR、EVM、CCDF测试）

番外10：使用ADS对射频功率放大器进行非线性测试2（使用带宽20MHz的64QAM信号进行ACLR、EVM、CCDF测试）

1、基本理论

功率放大器的非线性性能十分重要，特别是对于当前广泛使用的移动设备。由于其各种复杂的信号调制，功率放大器的实际的非线性性能最好要使用调制信号来进行测试，而不是单音或者双音信号。查阅文献，发现经常使用的测试调制信号为以下几种：

带宽为5MHz的W-CDMA信号（6.5dB左右的PAPR）：High_Efficiency_Wideband_Power_Amplifier_with_Class-J_Configuration
带宽为20MHz的LTE信号（7.5dB左右的PAPR）：
Broadband Class-JF−1 Continuum Mode_Design_Utilizing_Harmonic
带宽为20MHz的16QAM信号（5.5dB左右的PAPR）：
A_Generalized_HighEfficiency_Broadband_ClassE_F3_Power_Amplifier_Based_on_Design_Space_Expanding_of_Load_Network
带宽为500KHz的MSK调制的GSM信号：
Design_of_Highly_Efficient_Broadband_Class-E_Power_Amplifier_Using_Synthesized_Low-Pass_Matching_Networks
带宽为270KHz的MSK调制的GSM信号：
Broadband_GaN_ClassE_Power_Amplifier_for_Load_Modulated_Delta_Sigma_and_5G_Transmitter_Applications
带宽为20MHz的64QAM信号（6.5dB左右的PAPR）：
Design_of_Broadband_HighEfficiency_Power_Amplifier_Through_Interpolations_on_Continuous_Operation-Modes

等等等等

调制信号的重要非线性指标测试—ACLR
ACLR（Adjacent Channel Leakage Power Ratio）
测试目的：避免对邻近信道产生干扰；
LTE和ACLR测试除了需要测试自身带宽相同的邻信道泄漏功率比（E-UTRA ACLR），还需测试在5MHz（WCDMA）或1.6MHz（TDSCDMA）带宽内的ACLR（UTRA-ACLR1,UTRA-ACLR2）。

ACLR来源：载波的交调产物，宽带系统频率分量丰富，不同频率的载波之间在经过非线性器之后相互调制，比如f1+f2,2f1+f2,2f2+f1,2f1-f2,2f2-f1等产物，但真正落在相邻频段的只是三阶交调产物，3f1-2f2,3f2-2f1；ACLR产生的根源在于Transceiver和PA，其中PA占大头；

ACLR信号的基本要求（数据来自etsi.org）：

调制信号的重要非线性指标测试—EVM
误差向量幅度（EVM, Error Vector Magnitude）：误差向量（包括幅度和相位的矢量）是在一个给定时刻理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差。简单来说发射的信号是不是会落在预期的星座点上，以下面的16QAM星座图为例，距离理想点越远，EVM也越大。而影响射频系统EVM的主要问题是其非线性，其中的大头是功率放大器的影响。

ACLR信号的基本要求（数据来自etsi.org）：

调制信号的重要输入指标—CCDF &PAPR
CCDF ：互补累计分布函数，可以这么理解，横坐标为X，纵轴表示概率，对应CCDF上的点值表示大于这个X的PAPR的概率。CCDF和PAPR基本相关，参考博客：
https://blog.csdn.net/xinyizhangwei/article/details/21173759

2、基于ADS的20MHz带宽—64QAM信号测试

拿出我自己设计的一个PA，其版图仿真的性能参数如下所示：
器件：CGH40010F
类型：自己设计的宽带E类
频率：2.5GHz-3.9GHz
PAE：61.649-70.339
DE：65.239-73.452
Gain：10.5-11.6dB
Pout：40.5-41.6dBm
建立如下的一个symbol，留出四个接口，分别为输入、输出、栅极电压、漏极电压：


在此使用ADS的VTB平台和SystemVue进行联合仿真，使用此VTB功能可能需要额外的许可证，在此从器件栏中选择：

选择第一个：

选择5G中的DL的发射分析组件：

按照下面的参数进行测试（其中Modulation选择为3，表示为64QAM。此外，1为QPSK，2为16QAM，4为256QAM。带宽为20MHz。输入信号的平均功率为20dbm）：

整体的电路如下所示：

运行仿真，可能需要半个小时左右。

3、结果展示与分析

首先是输出信号的频谱图，目视ACLR在-3dbc左右：

测试也可以提供了准确的ACLR数值，如下表所示：

由此可见其ACLR性能还算可以，读者也可以和文章：
Design_of_Broadband_High-Efficiency_Power_Amplifier_Through_Interpolations_on_Continuous_Operation-Modes
中的测试进行对比，两者使用的同一个调制方式和输入信号的幅度（但是我这里是版图仿真结果）。

此处设置的输入功率平均为20dbm，这是为什么呢。下面给出大概的答案。输入和输出的平均功率如下表所示，由此可见输出信号的平均功率为33.8dBm，放大了13dB左右：

输入和输出的峰值功率如下所示，由此可见输出的峰值功率达到了40.9dbm左右，达到了晶体管的额定的功率，这是此处输入20dbm的一个原因：

仿真得到的EVM为1.259，如下所示，非常完美，但是是版图仿真得到的，而非实际测试，测试时可以加入噪声来进一步模拟实际情况。

下面对信号的CCDF和PAPR进行分析，得到的CCDF曲线如下所示：

无线信号从时域上观测是幅度不断变化的正弦波，幅度并不恒定，一个周期内的信号幅度峰值和其他周期内的幅度峰值是不一样的，因此每个周期的平均功率和峰值功率是不一样的。在一个较长的时间内，峰值功率是以某种概率出现的最大瞬态功率，通常概率取为0.01。在这个概率下的峰值功率跟系统总的平均功率的比就是峰均比。此处在CCDF为1时的横坐标基本代表了信号的PAPR，此处为8.5dB左右。

此处测试基本完成，下面有空介绍一下在ADS如何使用DPD来提升PA的线性度。作者也是初学者，如有错误欢迎评论区指出。

4、应用数字预失真DPD

此处输入功率修改为18.7dBm。创建如下的DPD原理图（使用ADS模板，路径ADS2023\examples\Signals_and_Systems\Wireless）：

设置输入信号为18.7dbm：

放置待测PA：

设置待测参数，为64QAM的带宽20MHz的3GHz信号（只需要修改NR开头的参数）：

点击运行，需要十分钟左右。

4、DPD后的结果对比

预失真前后的频谱图对比：

输入信号、放大后的原始信号、预失真后的信号的ACLR对比：

输入信号、放大后的原始信号、预失真后的信号的输入均值功率、峰值功率表：

输入信号、放大后的原始信号、预失真后的信号的EVM性能：

由此可见设计的PA在3GHz内满足设计的要求。但是此处设计的PA频率范围为2.5GHz-3.9GHz。在此对3.8GHz的信号和2.5GHz的信号进行测试。
下面是3.8GHz的非线性测试简要结果：


下面是2.6GHz的非线性测试简要结果：