無(wú)線局域網(wǎng)中的功率放大器測(cè)試方案

　　功率放大器測(cè)試

　　功率放大器(PA)是WLAN發(fā)射器電路中的關(guān)鍵組件，因?yàn)镻A性能會(huì)影響無(wú)線覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸率容量和電池壽命。任何發(fā)射器PA的目標(biāo)都是盡可能使用很少的DC功率以產(chǎn)生足夠的線性RF輸出功率。當(dāng)輸出功率增加到放大器的增益壓縮區(qū)時(shí)，PA性能由于PA非線性失真而可主導(dǎo)WLAN系統(tǒng)級(jí)的發(fā)射器性能。移動(dòng)設(shè)備與無(wú)線熱點(diǎn)通常傳輸基于100mW(+20dBm)與1W(+30dBm)之間的RF輸出功率，且PA必須能產(chǎn)生帶有最少非線性失真的足夠功率。對(duì)PA測(cè)試而言，一套完整的IEEE 802.11ac特定的發(fā)射器驗(yàn)證測(cè)試包括：

　　●頻譜遮罩(Spectrum Mask)

　　●頻譜平坦性

　　●峰值功率

　　●中心頻率誤差

　　●符號(hào)時(shí)鐘頻率誤差(Symbol Clock Frequency Error)

　　●中心頻率泄露(Center Frequency Leakage)

　　●誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)

　　本文將進(jìn)一步擴(kuò)展EVM測(cè)試，該測(cè)試是全面且廣泛使用于PA測(cè)試的技術(shù)。EVM是一項(xiàng)用來(lái)量化數(shù)字通信信道的性能的測(cè)試，并提供捕獲到的編碼數(shù)據(jù)字符與I/Q星座圖內(nèi)理想位置的誤差測(cè)量。均方根EVM是一項(xiàng)全面性的測(cè)量值，在RF信號(hào)或設(shè)備中的任何缺陷都會(huì)使其降低。因此，對(duì)WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)而言，PA在其輸出功率與信道頻率的完整操作范圍內(nèi)，需要可接受的EVM作用。由于802.11ac包括具有2.5%(-32dB)EVM規(guī)格限制的256QAM群集，PA線性度和對(duì)應(yīng)的EVM作用必要條件比早期的802.11標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，而802.11n中的PA EVM作用限制在大約3%，而802.11ac中的PA EVM作用則大約限制在1.5%。此外，新的256QAM信號(hào)調(diào)變具有更高的峰值均值比率(PAR)，也增加在802.11ac發(fā)射器設(shè)計(jì)內(nèi)的PA其所必要的線性輸出功率。

　　圖1:用于PA測(cè)試的測(cè)試設(shè)備架構(gòu)圖。

　　圖1顯示使用ZEC儀器Z8201RF測(cè)試套件進(jìn)行PA測(cè)試的典型測(cè)試設(shè)備架構(gòu)圖。典型的設(shè)備清單包括：

　　●z8651 6GHz向量信號(hào)分析儀(Vector Signal Analyzer,VSA)，可選擇80或160MHz分析頻寬

　　●z8751 6GHz向量信號(hào)發(fā)生器(Vector Signal Generator,VSG)，可選擇250或500MHz調(diào)變頻寬

　　●z5211 200MS/s任意波形發(fā)生器

　　●可視需要選用Ladybug科技的LB480A USB功率計(jì)

　　●PXI/PXIe機(jī)箱與主機(jī)電腦

　　●電纜、定向耦合器和衰減器

　　由于PA輸入與輸出功率由VSG與VSA設(shè)定和測(cè)量，因此可視需要選用USB功率計(jì)與相關(guān)定向耦合器。功率計(jì)提供以定向耦合器在待測(cè)件(DUT)所測(cè)得的PA輸入與輸出功率更精確的校正測(cè)量值。VSA與VSG通常可準(zhǔn)確至<0.5dB,而功率計(jì)能準(zhǔn)確至<0.1dB.用于衰減器和使用功率計(jì)配置時(shí)用于定向耦合器的校正因數(shù)必須預(yù)先校正。

　　PA EVM

　　典型的 PA EVM測(cè)試，會(huì)通過(guò)許多測(cè)試頻率測(cè)量EVM相對(duì)于PA的輸出功率。圖2顯示了使用z8201RF測(cè)試套件進(jìn)行典型PA EVM測(cè)試所測(cè)得的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)曲線。這些曲線顯示在輸入功率30dB范圍內(nèi)，進(jìn)行測(cè)試的全部五個(gè)80MHz 802.11ac信道頻率都適用于PA。實(shí)際的PA輸出功率使用功率計(jì)測(cè)得，并將這個(gè)數(shù)據(jù)作為圖2中曲線的水平軸坐標(biāo)。在這項(xiàng)測(cè)試中，有5個(gè)信道頻率和30個(gè)功率的總計(jì)150個(gè)測(cè)試點(diǎn)。PXI/PIXe高度整合測(cè)試設(shè)備架構(gòu)的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是快速數(shù)據(jù)傳輸量和處理速度。在150種測(cè)試情況下，總測(cè)量時(shí)間與帶有像LAN或PGIB接口的其他測(cè)試設(shè)備相比可大幅減少。z8201RF測(cè)試套件與zProtocl WLAN軟件為802.11ac測(cè)試提供的設(shè)置和操作優(yōu)化的示例編碼，可以保證每個(gè)EVM測(cè)試都在20ms內(nèi)完成。

　　探討圖2所顯示的實(shí)際PA測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，可發(fā)現(xiàn)EVM在高速輸出功率時(shí)降低。隨著PA輸出功率增加到其增益壓縮區(qū)，非線性失真將會(huì)出現(xiàn)，并造成EVM增加。此項(xiàng)EVM功率掃描測(cè)試識(shí)別出PA的線性功率區(qū)，是WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)考量的關(guān)鍵因素。需要注意的是，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)802.11ac低于1.5% EVM的臨界值，此特定PA可達(dá)到最大+10dBm線性輸出功率;雖然此PA是專為802.11n發(fā)射器所設(shè)計(jì)且工作良好，但對(duì)沒(méi)有諸如數(shù)字預(yù)失真的附加線性化技術(shù)的802.11ac發(fā)射器設(shè)計(jì)而言，其線性輸出功率會(huì)顯得不夠。

　　圖2:PA EVM與輸出功率對(duì)比。

　　動(dòng)態(tài)EVM

　　對(duì)系統(tǒng)級(jí)WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)而言，電池壽命和功率消耗都是重要的考慮因素。因?yàn)榭傁到y(tǒng)DC功率的很大一部分是PA發(fā)射所消耗的，因此采用多種技術(shù)以減少PA功率使用顯得很有必要。相對(duì)于DC功率消耗來(lái)說(shuō)，許多PA提供可調(diào)整的DC供電電壓，以優(yōu)化最大的RF輸出功率，且大多數(shù)PA可在不使用時(shí)，斷電或停用，以節(jié)省功率，比如當(dāng)接收時(shí)，或者在傳輸期間介于封包之間時(shí)。為了最大化功率效益，PA必須具有快速的開(kāi)啟與關(guān)閉切換時(shí)間。圖3顯示了示波器捕獲的在50%占空比的脈沖條件下，PA的PA使能(PA EN)相關(guān)時(shí)序與RF信號(hào)。注意在此測(cè)試設(shè)備內(nèi)將PA EN脈沖與RF信號(hào)之間的可調(diào)整延遲設(shè)定為2.0μs。在PA EN與RF信號(hào)之間的時(shí)間間隔最小時(shí)，DC功率效益最高，但短延遲會(huì)加重RF信號(hào)的瞬時(shí)效應(yīng)。

　　圖3:PA使能(黃色)與RF脈沖(藍(lán)色)的時(shí)域曲線。

　　由于PA的供電/斷電操作可造成暫態(tài)及熱效應(yīng)而降低發(fā)射器性能，因此常常需要測(cè)量被稱為動(dòng)態(tài)EVM的另一項(xiàng)指標(biāo)。動(dòng)態(tài)EVM通過(guò)方波脈沖施加于PA EN以模仿發(fā)射器的實(shí)際動(dòng)態(tài)工作環(huán)境來(lái)進(jìn)行測(cè)量。動(dòng)態(tài)EVM的降低是由于PA的瞬態(tài)響應(yīng)影響了封包的起始報(bào)頭，并造成了缺陷信道估算。經(jīng)研究表明具有50%占空比方波的動(dòng)態(tài)EVM比靜態(tài)EVM(具有100%占空比)更不適用于PA EN。

　　使用圖1所示的測(cè)試設(shè)備，通過(guò)使用PXI/PXIe系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)EVM測(cè)試是完全自動(dòng)化的。使用PXI/PXIe底板觸發(fā)器和時(shí)鐘信號(hào)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)EVM測(cè)量的全部時(shí)鐘同步化。圖1的塊圖顯示z5211任意波形發(fā)生器(AWG)，其產(chǎn)生具有可調(diào)整電壓大小、脈沖寬度、脈沖延遲和重復(fù)率的PA EN脈沖。實(shí)際的PA測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示，在+18dBm輸出功率以下，動(dòng)態(tài)EVM都比靜態(tài)EVM差。對(duì)于此特定PA，在+18dBm輸出功率以上，動(dòng)態(tài)EVM比靜態(tài)EVM更佳。如之前所述，因?yàn)閯?dòng)態(tài)EVM可測(cè)量PA在實(shí)際脈沖工作模式下的PA性能，所以這種典型的PA動(dòng)態(tài)EVM測(cè)量對(duì)發(fā)射器設(shè)計(jì)考量至關(guān)重要。

　　圖4:PA動(dòng)態(tài)EVM與占空比。　　數(shù)字預(yù)失真

　　在高輸出功率時(shí)，改善PA內(nèi)的線性度是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。數(shù)字預(yù)失真(DPD)是通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)從本質(zhì)上消除失真的一種技術(shù)。對(duì)組合式VSA/VSG測(cè)試系統(tǒng)而言，軟件工具可簡(jiǎn)化和自動(dòng)化DPD，比如z8201 RF測(cè)試套件。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，軟件模型通過(guò)VSA來(lái)測(cè)量PA的非線性，并形成一個(gè)相反的運(yùn)行狀態(tài)施加在VSG上。當(dāng)完成DPD補(bǔ)償時(shí)，預(yù)失真的VSG RF信號(hào)施加于有效線性化PA輸出的PA。

　　一些802.11ac WLAN收發(fā)器芯片組采用DPD技術(shù)以提高PA線性度。為量化在具有DPD的電路中將會(huì)實(shí)現(xiàn)的提高，測(cè)試設(shè)備必須能在PA特性分析期間執(zhí)行DPD。與z8201RF測(cè)試套件和zProtocl WLAN軟件一起，ZEC儀器的DPD軟件工具和對(duì)應(yīng)的示例代碼提供快速而簡(jiǎn)易的方法，以評(píng)估PA或發(fā)射器設(shè)計(jì)的DPD。因?yàn)镈PD算法要求VSG/VSA儀器捕獲多個(gè)相鄰信道，因此DPD應(yīng)用要求像z8201RF測(cè)試套件這樣的寬測(cè)量帶寬。

　　圖5顯示了PA在其非線性區(qū)內(nèi)工作時(shí)，DPD由于非線性失真造成的相鄰信道之上的泄漏的改善。同樣重要的是使用DPD能夠?qū)崿F(xiàn)EVM提升(如圖6所示)。這兩張圖都描繪出使用zProtocol WLAN與DPD軟件以z8201RF測(cè)試套件所得到的實(shí)際數(shù)據(jù)。

　　圖5:使用DPD降低PA相鄰信道泄漏。

　　圖6:使用DPD改善PA EVM

　　測(cè)試設(shè)備

　　對(duì)802.11ac測(cè)試而言，測(cè)試設(shè)備的本底噪聲、相位噪聲、交越失真和帶內(nèi)雜散信號(hào)都必須最小化，以避免降低所測(cè)得的PA EVM性能。圖7顯示了在所測(cè)得PA DUT EVM上的測(cè)試設(shè)備殘余EVM的影響。

　　圖7:在所測(cè)得DUT EVM上的測(cè)試設(shè)備殘余EVM的影響。

　　如前文所討論的，圖8的z8201RF測(cè)試套件是由具有高達(dá)160MHz測(cè)量頻寬的6GHz VSG/VSA組合所組成。除了寬測(cè)量頻寬外，z8201RF測(cè)試套件還提供802.11ac設(shè)備特性分析和測(cè)試所必要的低噪聲和失真。

　　圖8:z8201 PXI或PXIe RF測(cè)試套件。

　　zProtocol WLAN軟件工具包括圖9所顯示的直觀的圖形使用界面(GUI)，以及便于自動(dòng)化的綜合性C/C++/LabVIEW軟件驅(qū)動(dòng)程序。Z8201RF測(cè)試套件結(jié)合zProtocol WLAN軟件，對(duì)802.11測(cè)試提供完整的解決方案，涵蓋WLAN協(xié)議的所有方面，包括：

　　●所有調(diào)變頻寬：160 MHz、80 MHz、40 MHz和20 MHz

　　●所有調(diào)變編碼方案(Modulation Coding Schemes,MCS)和比特率：BPSK到256QAM

　　●所有信道頻率：2.4GHz和5GHz頻帶

　　●MIMO數(shù)據(jù)流：×2到×8

　　圖9:zProtocl WLAN測(cè)試軟件GUI

　　結(jié)論

　　本文探討了新的802.11ac WLAN標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于PA的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、特性分析和測(cè)試需求。由于802.11ac的PA EVM作用限制大約在1.5%左右，因此PA和RF測(cè)試設(shè)備需要更好的線性度和動(dòng)態(tài)范圍。本文詳述了一些有助于優(yōu)化802.11ac中PA測(cè)試的技術(shù)，這些技術(shù)與z8201RF測(cè)試套件跟zProtocol WLAN軟件一起共同為802.11ac WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)內(nèi)的量化PA性能提供了一個(gè)完整的解決方案。