在射頻設計中,我們經常會遇到各種各樣的系統指標,比如EVM,VSWR,NF,ACLR等等,這么多的縮寫搞得人云里霧里,尤其是對很多剛入門的同學來說,不懂這些縮寫的意思,有時候很難理解大牛們在說什么?
今天和大家一起抽絲剝繭一個射頻指標——ACLR。
ACLR的定義
和其他的指標一樣,ACLR也是一個英語全稱的縮寫——Adjacent Channel Leakage Ratio, 看到全稱之后是不是意思就明了了:鄰道泄露比。
還有一個和它一樣意思的射頻指標,叫做ACPR,全稱 Adjacent Channel Power Ratio,鄰道功率比。
雖然名稱不同,但是ACLR和ACPR所表示的意思是一樣的,都是指主信道功率和相鄰信道功率的比值。一般情況下,在基站設計中,常采用ACLR作為系統指標,而終端設計中,常采用ACPR作為系統指標。在一個射頻系統的工作頻帶OBW內,可以分為多個信道,每個信道載波的帶寬稱為CBW,當其中一個信道作為主信道工作的時候,由于系統非線性的影響,載波信號會泄露在相鄰信道,主信道和相鄰信道的功率比就是ACLR. 公式如下:
ACLR一般采用dBc的格式,所以呢,利用相鄰信道功率(dBm)減去主信道功率(dBm)即可。
ACLR的影響
ACLR的定義非常簡單明了,但是如果ACLR的指標不好,會對系統有哪些影響呢?
最直接的影響就是在主信道的相鄰信道上有一個非常大的未知信號,如果附近的通信系統剛好工作在相鄰信道上,那么這個未知信號就會對這個通信系統造成很大的干擾,這個巨大的干擾將會使這個通信系統帶來比較大的影響,甚至無法工作。
另一方面,根據功率守恒定理,如果在相鄰通道上有比較大的泄露功率,那么主信道的功率就會減小,通信系統的效率就會比較低,從而造成比較大的功耗問題。
ACLR的系統要求
所以呢,對于所有的無線通信系統,都有嚴格的ACLR的要求,尤其是在基站中,比如對于LTE 第四代通信系統,在 3GPP TS 36.141 version 9.12.0 Release 9 中對LTE發射機的ACLR有明確的要求:ACLR>44.2dBc.
在5G NR中,對ACLR有了更高的要求,一般情況下,基站的ACLR要大于45dB。詳見 3GPP TS 38.104 version 15.2.0 Release 15 中對ACLR的要求。
相應的,在UE端,應為發射功率更低,所以一般ACLR的要求會低一些,比如在3GPP TS 38.101-1 version 15.2.0 Release 15 給出的UE 端 ACLR的指標要求。
所以,對于ACLR的要求,不同的無線系統有不同的定義,同學們在設計的時候,一定要根據相應無線通信標準的定義,設計滿足要求的射頻系統。
如何改善系統的ACLR?
導致ACLR惡化的因素有很多,但是影響最大的還是PA的非線性。因為鄰道功率的泄露,本身就是由于系統的非線性引起的。
如下圖所示,我們把一個載波信號分成幾個子載波,由于非線性的影響,每兩個子載波都會在載波的左右兩側各產生一個互調信號,這個互調信號就造成了相鄰信道的功率填充。在ADI的一篇TA上,給出了ACLR和IMD的關系,如果已知子載波的功率和IMD的功率,就可以計算出ACLR的值。
如果功率放大器的輸出功率過高,接近壓縮點,那么在相鄰通道中產生的IIP3和IIP5產品的功率也會過高。并且這些高功率IMD產物剛好落在相鄰通道,就會導致高ACLR。這就是在最大功率下發生不良ACLR的原因。
在這種情況下,為了改善ACLR,首要任務是改善PA的線性,這時,可以通過降低PA的輸出功率,是PA工作在線性區,或者通過DPD來改善PA在高功率下的線性度;或者呢,選用更高線性的PA。
第二點可以通過改善PA后端器件的損耗,比如濾波器,比如天線。這里的損耗既包括回波損耗,也包括插入損耗。
從上文降低PA輸出功率可以改善ACLR這一點來說,后級濾波器天線的低插損,可以保證PA在輸出低功率下也能滿足系統的功率要求;另一方面PA輸出口良好的匹配,不僅保證了信號功率能夠最大的傳輸,也保證了反射功率對系統的影響最低,尤其是對DPD的影響。這一點可以通過后級良好的級聯匹配,以及選用低損耗的元件和PCB來實現。
第三點就是保證干凈的PA輸入。有源器件的非線性會產生互調失真,無論在PA端,還是在前面Tx中,都會產生。如果在前面Tx鏈路中就有比較大的互調失真,那么經過PA放大后,其對系統的影響將會變大。這種情況下,可以在PA前級加入信道濾波器來過濾前級產生的互調失真,以此來改善這個射頻發射鏈路的ACLR性能。
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