Using RF Power Meters for PAPR Analysis and Reduction

Walt Strickler, Wireless Telecom Group, Parsippany, N.J.

射频峰值功率计是一种简单易用和性价比很高的测量仪器，可用于测量PAPR（峰均功率比）和评估PAPR抑制技术的有效性。

大家都知道，移动宽带服务的需求一直都以指数规律不断增长，为了解决这种需求，增强移动宽带（eMBB）就是过渡到5G的关键基础技术之一，而更高的数据速率也可以提高军事通信网络的通讯能力。为了满足这些要求，工程师们正在开发支持高速数据传输、高机动性和更有效地利用现有频谱和网络资源的技术。正交频分复用技术（OFDM）是许多通信系统的重要技术之一，它应用于这些领域具有优势：主要包括4G（LTE）、WLAN（IEEE 802.11a/ac/ax/g/n）、数字无线技术、电缆传输（DAB和DVB-C2），甚至是铜缆宽带接入（ADSL）

在OFDM信号中，数字数据编码在多个频率或子载波上。每个子载波采用传统的调制方案以低符号速率进行调制，如正交幅度调制（QAM）或移相键控等，并占用一个子频段的频率。它与其他调制方案如频分复用（FDM））不同，子带可以重叠以提高频谱效率，因为每个子带都与下一个子带正交。这种方法使得OFDM对窄带共信道干扰、符号间干扰和多路径传输引起的衰落具有较低的敏感性¹。

OFDM的一个主要缺点是多个子载波会相互叠加从而增加并产生很高的PAPR（见图1）。随着对更高数据传输速率的要求，子载波的数目必须不断增加以满足需求，这将增大PAPR。图2显示了PAPR和子载波数目（N）之间的关系²。

图1：四个正弦子载波合成而随机产生的一个大波峰

图2：PAPR和OFDM子载波数目（N）之间的关系

PAPR的重要性

高PAPR会导致放大器出现许多问题。如果没有正确设置峰值功率，一旦信号进入放大器的非线性工作区域，就会导致信号失真和频谱扩展或频谱再生。另一方面，如果降低输入功率（通常称为输入功率回退（IBO）），会导致放大器工作效率降低。在图3中，放大器的输入信号分别回退6分贝和8分贝；从中可以看出，输入信号回退6分贝比回退8分贝导致更高的频谱再生。而频谱再生会引起子载波间的相互干扰，导致误码率（BER）的增加；但是，如果降低放大器输出功率，却会降低信噪比（SNR），这也同样会导致误码率的增加。如果一味地以提高数据传输率为主要目的，则糟糕的误码率会使其适得其反。

图3：频谱再生（spectral regrowth）与IBO的关系

效率在许多应用中都非常重要。对于移动电话而言，其放大器的效率会对电池寿命产生影响。而对于网络运营商，基站的效率会影响其运营费用。放大器通常在接近饱和状态下工作效率最高。为了说明这一点，图4显示了固态功率放大器的输入功率、输出功率和效率之间的关系。

图4：典型固态功放的输入/输出功率曲线

降低PAPR是降低频谱再生率和保持高效率的唯一途径。根据这个原理，在基于OFDM的系统中，有许多研究都开发出了降低PAPR的技术，以减少放大器压缩，同时使必要的IBO降到最小。Rahmatallah和Mohan²对不同的技术进行了极好的回顾和权衡，其结果总结在表1中。裁剪并过滤由于其简单和易于实现，在商业化产品中最为常用。

PAPR是一个单一的瞬时值，并不能提供信号随时间变化的整个过程的性能表现。基于这个原因，许多工程师利用一个互补累积分布函数（CCDF）来监测PAPR。产生的CCDF曲线显示出信号在给定功率等级或以上所花的时间（见图5）。通过对于PAPR抑制的调查，科研工作者感兴趣的功率水平是信号的平均功率，因此x轴定义为峰值功率超过平均功率的程度（单位：dB）。Y轴表示信号在x轴指定的功率差上花费的时间百分比。图中加重显示的圆点表示信号功率在0.1%的时间内至少超过平均功率7.5 dB。作为放大器比较的参考基准，工程师们经常对高斯噪声信号绘制CCDF曲线。随着OFDM信号应用中子载波数目的增加，它更加接近高斯分布曲线³。图5还显示了理论上高斯噪声信号的CCDF曲线。通常当一个信号的CCDF值高于参考值时称为增益扩展，而当CCDF值低于参考值时则称为增益压缩。

图5：输入信号CCDF与带限高斯基准线

PAPR的测量

基于二极管传感器的射频峰值功率计（或将功率计和传感器组合而成的USB射频峰值功率传感器）是最为广泛使用的峰值功率测量工具。许多峰值功率计都可以提供CCDF轨迹。

很重要的一点是必须确保功率传感器适合测量被测的信号。二极管传感器准确捕捉功率峰值包络的能力要求其响应速度至少与调制信号中的频率最高分量一样快。确定传感器响应是否足够快的一个常用措施是测量视频带宽。传感器使用低阻抗负载通过平滑电容器，在射频振幅下降时对其快速放电。即结合一个非常小的平滑电容，允许峰值功率传感器上升时间在纳秒级范围内，相应的视频带宽为几十或数百兆赫。通常上升时间和带宽之间的经验法则是带宽除以检测电路的上升时间约为0.35。图6显示了脉冲射频信号，其中P(t)是瞬时功率，Pe(t)是功率计测量的包络功率。如果功率计的视频带宽不足，测得的信号将在信号的角部出现圆弧，并在上升和下降时产生延迟，导致测量错误，如图中所示。

图6：视频带宽不足扭曲了脉冲信号的测量

作为使用峰值功率计的一个例子，Boonton公司的功率测量产品组合包括两个视频带宽大于100兆赫的解决方案：即视频带宽为125兆赫的4500C和视频带宽为195兆赫的RTP5006，大约比大多数替代产品大6倍。两种模型都可计算并绘制CCDF曲线。

图7显示了采用RTP5006实时峰值功率传感器测量的11 dBm、10μs脉冲信号。RTP5006为每个测量提供三个功率值：最小值、平均值和最大值。图7a是一个未调制脉冲信号，测得其最小、平均和最大功率是相同的。图7b是一个经过2.5GHz、40MHz带宽、−3 dBm信号调制过的脉冲，该脉冲由一个噪声源产生，该噪声源近似于OFDM信号。图中显示了被调制信号的最小、平均和最大功率以及包络。只有在有脉冲加载时测量仪器才会开通并对信号进行分析，并忽略转换时间和关断时间，测量仪器通过计算绘制CCDF（见图8）。与预期的一样，未调制信号没有显示出明显的峰值功率，而经过调制的信号显示出较高的PAPR，并且非常接近理论高斯信号的CCDF。

图7：未调制（a）和已调制（b）的脉冲功率测量

图8：未调制脉冲和OFDM调制脉冲的CCDF与理论高斯信号

有些工程师可能会在测得放大器输出端的PAPR和CCDF后就停止了，以此直接表示放大器的性能。得到了输出端的PAPR，他们相信他们可以实施PAPR抑制技术或应用IBO来优化放大器性能。然而，仅仅观察放大器的输出功率可能会产生误导，因为输出信号可能已经处于压缩状态，所以测量放大器的输入端信号作为参考是非常必要的。

图9显示了测量放大器输入和输出信号时的设置。通过主/从触发器来实现两个测量传感器的同步。图10显示测量得到的放大器输入和输出信号。看起来没有明显的问题，但是，通过运算CCDF表明输入和输出的PAPR表现并不一致（见图11）。正如在PAPR较低时测量中看到的那样，输出功率明显地被压缩，导致曲线相对于输入通道向左下方移动。通过降低噪声源的输出功率和增加IBO，两个PAPR接近一致（见图12）。这证实了放大器输入端对输入的功率信号进行了压缩。如果不测量输入信号的PAPR，这将很难发现。从表2可以看出，在输入功率电平为−12.7 dBm时，输出不被压缩。而在输入功率电平为−2.5 dBm的情况下，输出压缩了接近4 dB。

图9：放大器测量设置图

图10：测得的放大器输入功率（黄色线）和输出功率（绿色线）

图11：放大器输入（黄色）与输出（绿色）功率的CCDF显示出明显的压缩，高斯信号作为参考。

图12：降低噪声源功率可减少放大器的压缩，通过改善放大器输入（黄色）和输出（绿色）CCDF曲线的一致性得到证实

基于OFDM的系统通常使用QAM来调制子载波，而QAM对幅度失真非常敏感。随着QAM阶数的增加以支持更高速率的数据传输，这种敏感性也会相应增加。仅依靠测量平均输出功率，所观察到的压缩将大大被低估。

调制信号测量的重要性

在某些情况下，工程师们在描述放大器特征的时候是不采取调制的，因为调制信号源，特别是在更高的频率如高达5G的情况下，可能非常昂贵。然而，在去除高斯噪声并将输入信号恢复到初始值的情况下，就观察不到信号被压缩。这突出了采用调制信号和峰值射频功率计来表征放大器性能的重要性，尤其是在评估PAPR抑制技术的时候。为了避免使用高成本的调制信号源，噪声源提供了一种更为经济有效的调制源，该调制源可直接地模拟高子载波OFDM信号。一旦放大器具有高斯噪声源的特性，工程师就可以实施PAPR抑制技术，并将结果与射频峰值功率计进行比较。

总结

日益增长的信息技术需求导致越来越复杂的数据调制，以支持更高的数据传输速率和频谱效率。OFDM技术是目前应用最广泛的技术之一，但是它的缺点是具有较高的PAPR，这会对组件性能造成挑战。这导致许多工程师不断去研究降低PAPR的技术。射频峰值功率计和噪声源是以简单、经济有效的方式测量这些技术的有效性的首选仪器。

参考资料：

1.        “Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,” Wikipedia, en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency-division_multiplexing.

2.        Y. Rahmatallah and S. Mohan, “IEEE Peak-To-Average Power Ratio Reduction in OFDM Systems: A Survey And Taxonomy,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 15, No. 4, 2013, pp. 1567–1592.

3.        R. V. Nee and R. Prasad, “OFDM for Wireless Multimedia Communications,” Artech House, Norwood, Mass., March 2000.