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射頻功率量測原理 (十二)：放大器線性度是什麼？以及如何量測？

射頻功率量測原理 (十二)：放大器線性度是什麼？以及如何量測？

放大器接收輸入訊號，並以更高的振幅輸出該訊號，一個非線性的放大器將無法忠實地重現原始訊號，並會在波形中加入失真，進而降低系統的整體效能，因此，測試放大器的線性度對於維持高保真度的通訊至關重要；本文將探討放大器線性度與效率的核心概念，並檢視幾種關鍵的放大器線性度量測方法。

放大器線性度與效率

如果一個放大器的行為表現為線性，那麼其輸出訊號將會與輸入訊號成比例變化，這表示兩者之間的比率將會保持一致（即一個指定的增益），您可以在圖一中看到這種行為被表示為一條完美的對角線，當這種特性在整個全動態範圍內發生時，該放大器便提供了一個理想的、線性的響應。


圖一：一個來自放大器的理想線性響應，其產生的輸出訊號與輸入訊號成正比。

在真實世界的應用中，放大器的輸出功率在其線性操作區間之上會開始逐漸減弱，並且不會隨著輸入功率的增加而同步提升，事實上，當輸入功率增加到某個程度時，輸出功率將不再有任何變化，在這種情況下，放大器即處於飽和狀態。

當放大器接近飽和狀態時，其效率會隨之提升，這引導我們注意到 1dB 壓縮點，標記為 P1dB（1 dB Compression Point），這個指標明確指出放大器的輸出功率，相較於其理想線性表現，何時出現了 1 dB 的偏差，而放大器的設計究竟應針對線性度、效率或兩者兼顧進行優化，則完全取決於具體的應用需求，這裡一個關鍵的概念是輸入功率回退（Input Back-Off，IBO）值，為了在兩者之間取得平衡，IBO 透過將輸入功率降低一個特定數值，用以達到追求的線性度目標，同時又不會過度犧牲效率。


圖二：真實世界放大器行為的描述以及重要的線性度指標。

放大器線性度量測方法

測試放大器線性度有數種方法，其中幾種值得注意的量測方法包括波峰因數（Crest Factor，CF）、三階交互調變產物（3rd Order Intermodulation Products）以及雜訊功率比（Noise Power Ratio，NPR）。

波峰因數

波峰因數亦可稱為峰值平均功率比（PAPR），其定義為一個訊號的峰值振幅與其平均功率的比值，CF 方法可以運用一個頻寬受限的加成性高斯白雜訊（AWGN）波形，來模擬多個真實世界的載波訊號，透過峰值功率感測器量測放大器的輸入與輸出，當兩個 CF 值之間存在巨大差異時，即表示存在非線性。

三階交互調變產物

在具有多個訊號的系統中，一個非線性放大器的輸出會包含訊號的諧波與交互調變產物，這些產物是在原始的目標訊號互相結合後，所形成的額外訊號，雖然濾波技術可以緩解大多數這些頻率混和效應，但三階產物由於其頻率位置非常接近目標訊號，因此處理起來更具挑戰性，並會導致交互調變失真（Intermodulation Distortion，IMD），而三階截止點（3rd Order Intercept，IP3）這個數值可用於量測 IMD 並描述放大器的線性度。

雜訊功率比 (Noise Power Ratio)

NPR 方法同樣使用一個 AWGN 波形來複製各種載波訊號，在頻寬受限的 AWGN 訊號通過一個帶阻濾波器（Notch Filter）後，此訊號被施加到放大器上，接著透過觀察帶阻濾波器凹口的深度變化，來分析其非線性與 IMD。
在各種方法中，CF 以及與其相關的互補累積分布函數（CCDF）在描述線性度時提供了許多優勢，例如：更貼近地描繪放大器在真實世界中的性能、利用低成本的量測工具來最小化使用者操作錯誤，以及提供更為精確的結果。

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