P1dB и мощность насыщения: что означают две цифры

При малом входном сигнале усилитель линеен: выход растёт вместе со входом, усиление постоянно. С ростом уровня транзистор подходит к пределу по току и напряжению, усиление падает. Точка, где усиление упало на 1 дБ относительно линейного, — P1dB, выходная мощность при сжатии на 1 дБ. Дальше выход почти перестаёт расти — это мощность насыщения Pнас (Psat).

Разница между ними у разных усилителей разная. В серии KADAMM УМ-М у KADAMM УМ-1800/2700-55-50S и KADAMM УМ-500/1810-55-50S Pнас 50 дБм, P1dB 47 дБм — разница 3 дБ. У KADAMM УМ-2025/2100-47-50S при той же Pнас 50 дБм P1dB 40,8 дБм — разница больше 9 дБ. Поэтому рабочую мощность для модулированного сигнала считают от P1dB, если она указана, а не только от Pнас.

Перевод единиц: P[Вт] = 10(P[дБм] − 30)/10. 40 дБм = 10 Вт, 43 дБм = 20 Вт, 47 дБм = 50 Вт, 50 дБм = 100 Вт, 53 дБм = 200 Вт. Каждые 3 дБ — удвоение мощности.

25303540455055-30-20-100Pвх, дБмPвых, дБмPнас 50 дБмP1dB ≈ 48 дБмсредняя мощность LTE 41 дБмпики OFDM до +8…+10 дБЛинейный участок: усиление постоянноP1dB: усиление упало на 1 дБPнас: выход больше не растётОтступ = Pнас − средняя мощностьПример: усиление 50 дБ, Pнас 50 дБм.Средний уровень держат на 9 дБ ниже Pнас,чтобы пики не уходили в насыщение.
Амплитудная характеристика усилителя: на линейном участке выход повторяет вход с постоянным усилением, у P1dB усиление уже падает на 1 дБ, у Pнас выход перестаёт расти. Средний уровень LTE держат ниже, чтобы пики сигнала оставались в линейной области.

Почему для LTE нужна линейная мощность

Сигнал LTE в нисходящем канале — OFDM: сотни поднесущих, сложение которых даёт случайные пики огибающей. Отношение пиковой мощности к средней (пик-фактор, PAPR) у OFDM без обработки составляет 10–12 дБ при вероятности превышения 0,01 %. Алгоритмы ограничения пик-фактора (CFR) в модеме или базовой станции снижают его до 7–8 дБ, дальше начинают расти собственные искажения сигнала. В восходящем канале абонентские терминалы передают SC-FDMA, у которого пик-фактор на 2–3 дБ ниже.

Если пики заходят в область сжатия, усилитель их срезает. Срезанные пики дают две проблемы. Первая — интермодуляционные продукты, которые расширяют спектр в соседние каналы: падает ACLR. Вторая — искажение созвездия: растёт EVM, и абонент перестаёт принимать модуляции высокого порядка. Немодулированный или импульсный сигнал так не страдает, поэтому для него допустима работа ближе к насыщению.

Какие нормы ограничивают мощность

Для LTE их задают спецификации 3GPP: TS 36.104 для базовых станций и TS 36.101 для абонентских терминалов. Отступ выбирают так, чтобы выполнялись обе нормы — на ACLR и на EVM, а обычно ACLR ограничивает раньше.

ПараметрЧто показываетНорма 3GPP
ACLR базовой станциимощность в соседнем канале относительно рабочегоне хуже 45 дБ (TS 36.104)
ACLR абонентского терминалато же для передатчика терминалане хуже 30 дБ (TS 36.101)
EVM, QPSKотклонение точек созвездия от идеальныхне более 17,5 %
EVM, 16QAMто жене более 12,5 %
EVM, 64QAMто жене более 8 %
EVM, 256QAMто жене более 3,5 %

Кроме ACLR, базовая станция должна укладываться в маску спектра излучения и нормы на побочные излучения — их обеспечивает уже не только усилитель, но и выходной фильтр. Подробнее о фильтрах на выходе передатчика — в статье «Фильтры СВЧ: типы и подбор».

0 дБ-20 дБ-40 дБ-60 дБ-80 дБсоседний каналрабочий канал 20 МГцсоседний каналнорма ACLR базовой станции: 45 дБс отступом 9 дБ от Pнас: ACLR ~58 дБв насыщении: ACLR ~32 дБ
Спектр сигнала LTE 20 МГц на выходе усилителя. С отступом от насыщения уровень в соседних каналах ниже нормы 45 дБ (зелёная кривая). В насыщении интермодуляционные продукты поднимают «плечи» спектра выше нормы (красная кривая).

Сколько отступать: ориентиры

  • Без линеаризации (класс AB): средний уровень LTE на 8–10 дБ ниже Pнас или на 5–7 дБ ниже P1dB. Это ориентир, точный отступ показывает измерение ACLR на реальном сигнале.
  • С ограничением пик-фактора и цифровым предыскажением (DPD): отступ сокращается до 6–8 дБ от Pнас. Предыскажение делает возбудитель или базовая станция, ему нужен канал обратной связи с выхода усилителя.
  • Узкополосный сигнал (одна несущая 1,4–5 МГц) и сигнал с меньшим пик-фактором позволяют отступать меньше; несколько несущих в одном усилителе — больше.
  • Нагрев: при отступе КПД усилителя падает, большая часть потребляемой мощности уходит в тепло. Теплоотвод рассчитывают по потреблению, а не по выходной мощности.

Пример расчёта по таблице исполнений

  1. Задача: передатчик в полосе 2110–2170 МГц (LTE Band 1), сигнал 20 МГц без цифрового предыскажения.
  2. Модель: KADAMM УМ-2110/2170-50-50S — полоса 2,11–2,17 ГГц, усиление 50 дБ, Pнас 50 дБм (100 Вт), КСВН 1,7, питание 28 В.
  3. Отступ: 9 дБ от Pнас. Средняя мощность LTE: 50 − 9 = 41 дБм, это около 13 Вт.
  4. Вход: 41 − 50 = -9 дБм средней мощности от возбудителя.
  5. Пики: при пик-факторе 8 дБ пики доходят до 49 дБм — ниже насыщения на 1 дБ.
  6. Проверка: ACLR и EVM измеряют на выходе с реальным сигналом; если ACLR не укладывается в 45 дБ, уменьшают средний уровень по 1 дБ.

Отсюда правило выбора: нужная средняя мощность LTE плюс 8–10 дБ даёт требуемую Pнас усилителя. Для 20 Вт (43 дБм) средней мощности без предыскажения нужен усилитель с Pнас около 51–53 дБм, например KADAMM УМ-1800/1900-53-53S (1,8–1,9 ГГц, Pнас 53 дБм) для полосы 1800 МГц.

Усилители KADAMM под полосы LTE

ПолосаМодельЧастоты, ГГцУсиление, дБPнас, дБмP1dB, дБм
LTE 1800 (Band 3)KADAMM УМ-1805/1880-45-401,805–1,8845—40
LTE 1800 (Band 3)KADAMM УМ-1805/1880-42-48S1,805–1,884248—
LTE 1800 (Band 3)KADAMM УМ-1800/1900-53-53S1,8–1,95353—
LTE 2100 (Band 1)KADAMM УМ-2110/2170-47-47S2,11–2,174747—
LTE 2100 (Band 1)KADAMM УМ-2110/2170-50-50S2,11–2,175050—
LTE 2600 (Band 7)KADAMM УМ-2620/2690-45-402,62–2,6945—40
LTE 2600 (Band 7)KADAMM УМ-2620/2690-50-50S2,62–2,695050—
1800–2600 широкополосныйKADAMM УМ-1800/2700-55-50S1,8–2,7555047
LTE 800 и 1800, широкополосныйKADAMM УМ-500/1810-55-50S0,5–1,81555047

Прочерк — параметр в таблице исполнений не указан, уточняйте у менеджера. У модулей KADAMM УМ-1805/1880-50-43Н, KADAMM УМ-2110/2170-50-43Н и KADAMM УМ-2620/2690-50-43Н нормирована номинальная выходная мощность 43±1 дБм (20 Вт); для какого сигнала она задана — уточняйте у менеджера. Для стендовых испытаний есть законченные блоки KADAMM УМ-С с сетевым питанием: у KADAMM УМ-500/2700-51-50-Б P1dB 50 дБм в полосе 0,5–2,7 ГГц. Все усилители — в разделе «Усилители мощности СВЧ».

Выход усилителя всегда нагружают: на время настройки — на согласованную нагрузку с запасом по мощности, в работе от отражений защищает ферритовый вентиль. Чем усилитель мощности отличается от малошумящего и где каждый стоит в тракте — в статье «Малошумящий усилитель и усилитель мощности».

Усилители мощности KADAMM

Усилители мощности СВЧ, модули до 3 ГГц
KADAMM УМ-М
KADAMM УМ-М
Усилители мощности СВЧ, модули до 3 ГГц
107 моделей 100 кГц–3 ГГц: мощность насыщения 37–53 дБм, усиление 21–55 дБ, модули под полосы LTE 1800, 2100 и 2600.
Смотреть модели
Усилители мощности СВЧ, системы
KADAMM УМ-С
KADAMM УМ-С
Усилители мощности СВЧ, системы
Законченные блоки с сетевым питанием 220 В, среди них 0,5–2,7 и 0,5–3 ГГц с P1dB 50 и 45 дБм.
Смотреть модели