功率放大器簡介

在這裡我們會先介紹功率放大器的分類以及諧波失真（harmonic distortion），使我們更清楚了解到非線性失真（nonlinear distortion）

對OFDM 訊號的影響。

功率放大器的分類主要是依據偏壓方式的不同，而產生不同位置 的工作點，當標準弦波輸入時，以輸出訊號不為零的範圍來區分，可 分為A 類、B 類、AB 類及 C 類，如圖 3.2 所示。

圖3.2 A 類、B 類、C 類放大器工作點示意圖

其中，工作點 A 主要是由集極電流

I

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AB 類放大器的工作點介於 A 類放大器與 B 類放大器之間，而當 在標準弦波輸入時，其輸出為大於半週期的波形。

亦可從圖 3.2 中發現 C 類放大器在標準弦波輸入時，其輸出為一 個小於半週期的波形。若與A 類或 B 類放大器做比較，C 類放大器 擁有極佳的功率轉換效率，但卻遭受到更嚴重的諧波失真。

圖 3.3 功率轉移函數示意圖

圖 3.3 中 為1-dB 壓縮點（1-dB compression point），代表的是 在輸入功率增加1dB，輸出功率卻會在功率放大器的線性增益（linear gain）線上減少 1dB。圖中的動態範圍（dynamic range）也就是功率 放大器的線性區域，介於雜訊限制區域與飽和區域間。

P1dB

總結而論，功率放大器設計可以分類成線性方式與非線性方式，

非線性的功率放大器能夠有較佳的功率轉換效率，但是只適合一些常 數包跡（constant-envelope）的訊號，如 FM、GFSK 或 GMSK[13]。

而線性的功率放大器雖可適合所有的調變訊號，但其功率轉換效率卻 也比較差。

現在我們來探討諧波失真所產生的問題，考慮兩個高頻載波要通 過一個功率放大器的情況，由於BJT 轉移方程式非線性的關係，功 率放大器的輸出訊號除了原本輸入的訊號外，還會額外產生一些訊號 間互相干擾（intermodulation interference）的成分。此種問題主要是 發生在當輸入為兩個或兩個以上的頻率訊號，經放大器非線性特性 後，在輸出端所產生的多於頻率成分。

由圖 3.4 中我們可以觀察到，訊號間互相干擾成分的分布其實非 常的廣，他們會產生在輸入載波的附近也會產生在較遠處，而其中會 造成最大問題的也就是這些長在輸入載波附近的訊號間干擾，因為我 們比較不容易將這些在輸入載波附近的干擾給濾出來而產生失真的 問題。

圖 3.4 訊號間互相干擾失真現象

功率放大器還會產生一個很嚴重的問題，就是當輸入訊號功率 過大使得工作範圍超出了線性區域而進入了飽和區域，也就是輸入功 率超過了1-dB 壓縮點（1-dB compression point） ，如圖3.3 所示。

當操作在飽和區域時，輸入訊號功率的增加量並不會產生相對比例的 輸出訊號功率增加量，因而產生輸出訊號的失真現象。

P1dB

現在我們來從另外一個觀點來討論非線性失真對調變訊號所造 成的影響。由於調變後的載波訊號（如QPSK、16QAM、64QAM 等）

經過非線性放大器後，會在輸出端產生振幅至振幅（AM/AM）調變 以及振幅至相位（AM/PM）調變，我們觀察此調變過後的輸出訊號 在複數波形上所產生的失真現象。

考慮以 QPSK 調變後的載波為輸入訊號，且輸入功率是操作在放 大器的飽和區域內。則輸出訊號經 AM/AM 調變及 AM/PM 調變後的 星座圖可以表示成圖3.5 與圖 3.6。

圖3.5 QPSK 訊號之 AM/AM 失真

圖 3.6 QPSK 訊號之 AM/PM 失真

AM/PM 失真主要是由於在放大器的輸入訊號與輸出訊號間的相 位差異所產生的。此種失真會使訊號星座圖歪斜或旋轉某個角度。然 而，一般 AM/PM 產生的失真只需要透過領航載波（pilot tones）或一 些已知的相位補償演算法就可以輕易的追蹤且補償掉此失真。

由先前對功率放大器的介紹我們知道一個理想的放大器在輸入 功率的全部範圍內有一個固定的放大增益值，然而在實際的放大器中 卻有一個最大輸出功率的限制。隨著輸入功率的增加而越來越逼近此 限制，放大增益會越來越小。AM/AM 失真的產生主要就是由於放大 增益隨著輸入功率的不同而有所變異所造成的。此失真會使訊號星座 圖在空間上被壓縮。

相較於 AM/PM 失真，AM/AM 失真對於 OFDM 系統而言是個比 值對平均功率比（Peak-to-Average Power Ratio, PAPR）很大。尤其當 此N 個子載波剛好在某個時間點上有著相同的相位時，OFDM 訊號

我們可以從圖 3.7、圖 3.8 中觀察到 OFDM 訊號振福的動態變化，

所使用的是2048-FFT 的系統，而調變模式為 BPSK。圖 3.7 中所描繪 的是OFDM 傳輸訊號的振幅示意圖，我們可以觀察到訊號振幅的確 有很廣的動態範圍，而峰值點也比平均值大很多。

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圖3.7 OFDM 訊號振幅示意圖

圖 3.8 顯示出 OFDM 訊號 In-phase 的部分與 Quadrature 的部分，

從中也可以清楚發現到峰值點與均值點極大的差異。

peak

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圖3.8 OFDM 訊號 I/Q 示意圖