射频基础知识---调制信号的功率测量

一、信道功率

射频信号的信道功率指的就是：在指定信道带宽内的总功率。下图展示了一个典型数字调制信号的信道功率。请注意，这个信号是一个调制信号：其频谱具有较宽且有点像噪声的形状，没有明显的谱线。该信道宽5MHz，信号占据了大部分的频率范围，在接近信道边缘时信号强度逐渐减弱。频谱分析仪对规定信道内的所有功率进行积分，并将结果显示为-20.86dBm。

二、占用带宽

射频信号的占用带宽描述了该信号在频域上的宽度，它是基于信号中总功率的一定比例来确定的。例如，对于占用带宽的一个常见规定是，包含了发射功率99%的那个频率范围即为占用带宽，下图是占用带宽示意图，其中β/2%通常取值为0.5%。

三、邻道功率

确保射频信号保持在其预定的频率空间（信道）内是很重要的。当一个射频信号溢出到相邻信道时，它会对其他无线信道造成干扰，并降低系统性能。没有信号是完美无缺的，所以总会有少量能量会对相邻信道产生影响。

邻道功率指的是泄漏到相邻信道中的功率量。它可以用绝对功率来表示，不过更常见的是表示为邻道功率与主信道功率的比值，这被称为邻道功率比（ACPR）或邻道泄漏比（ACLR）。我们可以使用以下公式以dB为单位来表示这个比值：

其中Pch是主信道功率，Padj是相邻信道的功率。

下图展示了一次邻道功率比（ACPR）的测量结果，主信道位于显示屏幕的中央，两侧各有一个相邻信道。信道功率测量值在-4dBm附近波动。两个紧邻的相邻信道的功率分别显示为-65dBm和-70dBm，对应的邻道功率比（ACPR）分别为-61dBc和-66dBc，这里的“dBc”表示相对于载波或信道功率的分贝数。该测量存在噪声干扰，所以结果会有所波动。

请注意，两个相邻近的信道的邻道功率比（ACPR）比外部信道大约差5dB。上图中可以看到，相邻信道中的功率在接近主信道时会略有增加。

四、放大器非线性

随着工程师们追求最大输出功率和放大器效率，放大器中的非线性会导致主信道的信号泄漏到相邻信道中。这有时被称为频谱泄漏，是导致邻道功率比下降的一个关键因素。

非线性会导致放大器出现各种形式的失真。谐波失真是常见的一种，但它只影响主载波整数倍的频率。这些频率通常在频带之外，并且常通过低通滤波器被滤除。

互调失真的经典模型会在这些频率上产生失真产物，其中n和m为整数。

三阶互调失真会特别麻烦，因为它会在主信道“附近”产生失真产物。例如，考虑主信道内的两个频率f1和f2。

其中一个三阶互调产物的频率由下式给出：

例如，假设f1=1.922GHz且f2=1.918GHz，那么f21失真产物的频率将是1.926GHz，这个频率相对接近原始的频率对。根据确切的频率值和信道间隔，失真产物的频率可能会落在主信道内，或者落在某一个相邻信道内。四、ACLR和ACPR的关系

ACLR（Adjacent Channel Leakage Ratio，邻道泄漏比）和ACPR（Adjacent Channel Power Ratio，邻道功率比）在实际应用中常被视为等同的概念，用于衡量无线通信系统中主信道与相邻信道之间的功率关系。

不过，两者在定义和侧重点上也有一些细微差别：

定义：ACLR更强调主信道功率与相邻信道上泄漏功率的比值，关注的是由于发射机非理想特性导致的功率泄漏情况；ACPR则是指相邻信道的总功率与主信道功率的比值，相对更侧重于相邻信道上的整体功率水平，而不特别区分是否是泄漏功率。

计算方式：ACLR是主信道功率与相邻信道泄露功率的差值；ACPR是相邻信道总功率与主信道功率的比值。

应用场景：ACLR常用于评估和控制发射机的线性度和频谱纯净度，ACPR则更多用于系统规划和频谱管理，特别是在频谱资源紧张的环境中。

在实际测试中，在基站设计中常采用ACLR作为系统指标，而终端设计中常采用ACPR作为系统指标。但在很多文献和资料中，这两个术语经常互换使用来表示同一概念。

五、ACLR和IMD的关系

RF器件的ACLR来源可以对宽带载波频谱进行模拟，相当于独立的CW副载波集合。每个副载波都会携带一部分总的载波功率。下图所示就是这样一个模型，连续RF载波由四个单独的CW副载波模拟，每个副载波的功率为总载波功率的四分之一。副载波以相同的间隔均匀地分布于整个载波带宽内。上图中的绿线从左到右分别是副载波1、2、3和4。如果我们只考察左边的两个副载波(1和2)，可以考虑RF器件中的任意IMD3失真引起的三阶IMD分量。三阶失真表现为这两个副载波两侧的低电平副载波，两个“绿色”副载波左边的第一个“红色”失真分量是这两个副载波的IMD3失真结果。

来自副载波1和3的IMD3分量在与载波1间距相同的频率处具有IMD3失真分量。这在载波频谱的左边产生第二个“红色”IM分量。同样，来自副载波1和4的IMD3生成的失真分量距离载波边缘更远。

注意这里还存在其它的IMD分量。副载波2和4产生的IM3分量直接叠加在副载波1和2产生的IMD分量上。这一累加效应会使距离RF载波边缘较近的IMD分量的幅值比距离RF载波边缘较远的IMD分量高，产生ACLR失真频谱中的“肩”特性。

这种方法可以定量地预测单独的IMD3失真分量的实际电平。通过增加模型中所使用的单独的副载波的数量可以增加模型的精度。多个宽带载波的ACLR性能与该模型中的ACLR非常像，模型中每个单独的宽带载波占据总的宽带载波带宽的一部分。在宽带载波的相邻部分，邻近最后一个载波的单载波的ACLR处于IMD3引起的失真响应的高肩位置。这导致多载波情形的ACLR比单载波系统的ACLR差得多。再次说明，这一结果可以量化后用以精确预测单宽带载波或多宽带载波的ACLR性能。

宽带载波的ACLR通过一个校正因数与双音IMD3性能相关。该校正的存在是由于IMD3性能造成了ACLR性能恶化。这种恶化来源于由扩频载波的频谱密度组成的各种互调分量的影响。ACLR与IMD3的有效关系如下所示：

ACLRn≈IMD3+Cn

其中Cn如下表所示：

六、放大器测试

你可以测量发射信号的邻道功率比（ACPR）来确定该发射器的整体性能。你也可以测量发射器或射频（RF）系统内部的各个组件。 ?下图展示了如何使用信号发生器和频谱分析仪来检测功率放大器的性能。信号发生器提供调制射频信号，频谱分析仪则测量邻道功率比（ACPR），以查看在放大器输出端邻道功率比（ACPR）下降了多少。检测到的任何性能下降都是由放大器引入的失真所导致的。?

功率衰减器将来自放大器的信号电平降低到频谱分析仪能够处理的水平，同时起到保护频谱仪不被大信号损坏的作用。当然，频谱分析仪还可以测量信号的其他参数，这些参数有助于你评估放大器的整体性能。

总结：

信道功率、占用带宽、邻道功率比（ACPR/ACLR）及互调失真（IMD）共同构成射频系统频谱特性的核心评估体系。ACLR与ACPR虽在定义侧重上略有差异，但均用于量化主信道功率泄漏至邻道的程度，是频谱合规性与发射机线性度的关键指标。

放大器非线性导致的IMD3产物直接恶化ACLR，且多载波场景下频谱密度叠加效应进一步加剧邻道干扰。通过频谱分析仪对放大器ACPR的实测验证，可精准定位非线性失真源，为优化发射链路性能提供量化依据。未来需结合多载波ACLR建模与动态IMD补偿技术，以应对高频段、大带宽场景下的频谱效率挑战。