5G毫米波和超寬帶功率放大器EVM測(cè)試的挑戰(zhàn)和解決方案

作者/ 李峰 是德科技無(wú)線(xiàn)通信資深技術(shù)顧問(wèn)

摘要：本文介紹了5G通信對(duì)測(cè)試提出的需求，并就是德科技的Signal Optimizer寬帶測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了應(yīng)用和實(shí)例分析。

引言

　　目前5G已經(jīng)成為整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)的發(fā)展方向，5G將給無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)革命性的飛躍。5G的主要應(yīng)用場(chǎng)景是eMBB，即增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶，核心目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)超高速的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)在4G的水平，要達(dá)到10Gbps~100Gbps，從而徹底解決現(xiàn)在移動(dòng)通信的速率瓶頸問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)，5G需要采用全新的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，由于頻率資源和帶寬問(wèn)題，傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信所使用的6GHz以下的低頻段無(wú)法達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要使用更高的頻段，即毫米波頻段，調(diào)制帶寬會(huì)從現(xiàn)在的幾十M跨越到500M，再到3GHz，而且還會(huì)使用新的物理層技術(shù)包括調(diào)制編碼和多址接入，這也對(duì)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的射頻測(cè)試提出了更高的要求。

5G測(cè)試的需求

　　為了更有力地推動(dòng)5G毫米波技術(shù)試驗(yàn)和開(kāi)發(fā)，工信部已經(jīng)發(fā)布了關(guān)于5G頻段的官方文件，其中毫米波頻段包括24.75~27.5GHz和37~42.5GHz，而主流廠(chǎng)商所測(cè)試的信號(hào)調(diào)制帶寬要求達(dá)到800MHz，這將大大加快5G毫米波技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展進(jìn)程。但是現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)也面臨著極大的挑戰(zhàn)，由于缺乏用于基站和終端的能夠支持毫米波和超寬帶的射頻器件，尤其是功率放大器PA，這使得國(guó)內(nèi)5G毫米波技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用受到極大地限制。因此國(guó)內(nèi)主要運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)廠(chǎng)商以及半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始全力開(kāi)發(fā)支持中國(guó)5G毫米波頻段和800MHz帶寬的PA產(chǎn)品。針對(duì)最先應(yīng)用于基站的大功率PA需求，傳統(tǒng)的CMOS工藝功率放大器無(wú)法提供足夠高的輸出功率，而砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)工藝的功率放大器能夠在毫米波頻段支持更高的發(fā)射功率和更大的調(diào)制帶寬，所以受到行業(yè)的青睞。

　　由于5G毫米波和超寬帶功率放大器還處于起步階段，為了驗(yàn)證和確保新型的功率放大器能夠滿(mǎn)足5G無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)囊?，無(wú)論是器件廠(chǎng)商還是基站系統(tǒng)廠(chǎng)商都需要在調(diào)試和最終系統(tǒng)測(cè)試階段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行大量射頻參數(shù)測(cè)試，主要包括兩類(lèi)，第一類(lèi)是傳統(tǒng)的針對(duì)PA自身的器件參數(shù)，包括輸出功率 、增益、噪聲系數(shù)和S參數(shù)/X參數(shù)等;第二類(lèi)是根據(jù)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)5G寬帶調(diào)制信號(hào)所要求的矢量誤差EVM和鄰道泄漏比ACLR等。而后者對(duì)測(cè)試平臺(tái)的功能和性能要求更高更復(fù)雜，不僅需要支持各種靈活定義的數(shù)字調(diào)制格式和5G候選波形，支持靈活的信號(hào)產(chǎn)生和復(fù)雜的矢量信號(hào)分析，而且對(duì)儀表在毫米波和超寬帶條件下的精度和動(dòng)態(tài)范圍提出了很大的挑戰(zhàn)，其中超寬帶條件下的EVM測(cè)試就是目前的一個(gè)難點(diǎn)。

Signal Optimizer寬帶測(cè)試平臺(tái)

　　我們通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)5G毫米波和超寬帶PA的EVM測(cè)試與傳統(tǒng)的3G/4G有很大不同，主要原因是毫米波和超寬帶條件對(duì)儀表和附件所構(gòu)成的測(cè)試平臺(tái)的要求大大提高，由測(cè)試平臺(tái)所引入的失真和誤差會(huì)嚴(yán)重影響最終的測(cè)試結(jié)果。圖1是一個(gè)通過(guò)是德科技M8190A+E8267D矢量信號(hào)源產(chǎn)生的超寬帶信號(hào)的例子。

　　是德科技于2015年開(kāi)始創(chuàng)建5G毫米波和超寬帶無(wú)線(xiàn)通信的原型試驗(yàn)平臺(tái)，基于SystemVue仿真軟件進(jìn)行了當(dāng)時(shí)業(yè)界最早的超高速數(shù)據(jù)吞吐率試驗(yàn)，圖1是這個(gè)原型機(jī)試驗(yàn)的實(shí)例，采用基于5G候選波形FBMC調(diào)制，通過(guò)是德科技M8190A+E8267D矢量信號(hào)源輸出調(diào)制信號(hào)，載波頻率為20GHz，調(diào)制帶寬達(dá)到了4GHz，其物理層調(diào)制的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了10~20Gbps。但是從圖1的頻譜曲線(xiàn)可以看出，整個(gè)4GHz范圍不同頻率成分的幅度有很大波動(dòng)，遠(yuǎn)離中心頻率的頻率分離衰減增大，呈現(xiàn)明顯的幅度不平坦，因?yàn)樾盘?hào)是由很多個(gè)子載波構(gòu)成，這些幅度衰減的頻率成分將使其所在的子載波的信噪比降低，導(dǎo)致EVM下降，雖然原型機(jī)平臺(tái)可以依靠接收機(jī)信道均衡和糾錯(cuò)等措施仍然可以實(shí)現(xiàn)較高的吞吐率，但是如果用于PA或基站的射頻測(cè)試，就會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試EVM的準(zhǔn)確度圖2是通過(guò)是德科技Signal Optimizer寬帶測(cè)試平臺(tái)測(cè)量寬度系統(tǒng)幅相特性的例子。

　　我們采用是德科技最新推出的Signal Optimizer平臺(tái)可以非常方便地測(cè)量超寬帶系統(tǒng)的幅度和相位特性，在圖2的例子里面，載波頻率是26GHz，Signal Optimizer軟件產(chǎn)生接近1GHz帶寬的Multitone信號(hào)，然后通過(guò)分析儀測(cè)量1GHz帶寬內(nèi)的幅度和相位變化，可以看到未經(jīng)過(guò)寬度校正的系統(tǒng)在1GHz帶寬內(nèi)的幅度波動(dòng)超過(guò)4dB，相位群時(shí)延波動(dòng)超過(guò)2ns，信號(hào)EVM是比較差的。

　　所以針對(duì)5G毫米波和超寬帶PA射頻測(cè)試中非常關(guān)鍵的一點(diǎn)就是測(cè)試平臺(tái)本身必須具備寬帶校正以確保在測(cè)試PA之前儀表和所有附件所引入的失真和誤差達(dá)到最小。目前測(cè)試儀表采用的寬帶校正方法主要有兩種：

　　第一種方法是內(nèi)置校正數(shù)據(jù)，即在出廠(chǎng)前已經(jīng)對(duì)儀表自身的寬帶失真進(jìn)行測(cè)量并且將校正數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀表里面，在測(cè)試時(shí)儀表根據(jù)頻率和帶寬自動(dòng)應(yīng)用校正數(shù)據(jù)，無(wú)需額外的校正操作即可進(jìn)行測(cè)試。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是校正數(shù)據(jù)只應(yīng)用到儀表的測(cè)試端口，而不是被測(cè)件DUT的輸入或輸出端口，測(cè)試中使用的外部附件或射頻器件模塊都沒(méi)有覆蓋，其他現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件或工作條件也可能影響儀表達(dá)到最佳的EVM特性。

　　第二種方法是外部校正，這種方法需要使用校準(zhǔn)器在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)儀表進(jìn)行寬度校正，實(shí)時(shí)產(chǎn)生校正數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)絻x表中，使儀表的EVM達(dá)到最優(yōu)。這種方法其實(shí)是非常類(lèi)似射頻器件測(cè)試常用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的系統(tǒng)校準(zhǔn)操作，具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)信號(hào)源和分析儀以及外部器件進(jìn)行獨(dú)立的校正，校正數(shù)據(jù)即可以應(yīng)用到儀表測(cè)試端口，也可以包含測(cè)試中使用的外部附件或射頻器件模塊一起校正，校正數(shù)據(jù)可以應(yīng)用到被測(cè)件的輸入或輸出端口，而且現(xiàn)場(chǎng)的各種環(huán)境和工作條件產(chǎn)生的影響也會(huì)被包括在校正操作中，所以目前應(yīng)用這種方式總是能在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)儀表最佳的EVM特性;這種方法的缺點(diǎn)是需要現(xiàn)場(chǎng)操作寬帶校正。

測(cè)試案例分析

　　下面我們舉一個(gè)實(shí)際測(cè)試中遇到的案例。在測(cè)試大功率PA時(shí)經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題就是驅(qū)動(dòng)放大，由于大功率PA往往需要較高的Pin，而毫米波矢量信號(hào)源的最佳線(xiàn)性輸出電平通常低于要求，所以往往需要在被測(cè)PA輸入端加一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器，圖3是一個(gè)實(shí)際測(cè)試連接框圖。

　　我們?cè)跍y(cè)試中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上除了用于5G寬帶信號(hào)產(chǎn)生和分析的信號(hào)源和分析儀外，驅(qū)動(dòng)放大器自身也給測(cè)試帶來(lái)很大影響。雖然一般采用的驅(qū)動(dòng)放大器都是寬帶線(xiàn)性放大器，只要設(shè)置合適的輸入和輸出功率區(qū)間，放大器工作在線(xiàn)性區(qū)，非線(xiàn)性失真很小，但是我們不要忽視其仍然存在線(xiàn)性失真，驅(qū)動(dòng)放大器本身的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)波動(dòng)仍然對(duì)EVM產(chǎn)生較大的影響。實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在26GHz~29GHz頻率范圍，800MHz調(diào)制帶寬條件下，信號(hào)源本身輸出信號(hào)的EVM已經(jīng)校正到0.8%，但是經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器之后，EVM會(huì)惡化到最大3%~4%，這不僅導(dǎo)致最終被測(cè)PA輸出信號(hào)的EVM很高，而且甚至超過(guò)了廠(chǎng)家對(duì)系統(tǒng)級(jí)EVM的要求。所以這次測(cè)試采用了圖4所示是德科技Signal Optimizer平臺(tái)的外部校正方法。

　　首先通過(guò)校準(zhǔn)器對(duì)信號(hào)分析儀進(jìn)行寬帶校正，然后信號(hào)分析儀應(yīng)用補(bǔ)償校正數(shù)據(jù)后，再使用信號(hào)分析儀進(jìn)行源的校正，但是這個(gè)源校正是將信號(hào)源與驅(qū)動(dòng)放大器連接起來(lái)一起校正，使信號(hào)源加驅(qū)動(dòng)放大器的整體EVM達(dá)到1%左右，這樣再連接被測(cè)PA進(jìn)行EVM測(cè)試，就獲得了比較理想的結(jié)果，因?yàn)檫@時(shí)驅(qū)動(dòng)放大器的線(xiàn)性失真不會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響。

　　在毫米波超寬帶PA測(cè)試中，除了前面提到的驅(qū)動(dòng)放大器的例子，還發(fā)現(xiàn)測(cè)試附件等也都會(huì)產(chǎn)生影響，比如毫米波頻段使用的線(xiàn)纜和接頭，相對(duì)于6GHz以下的低頻段，一般存在更大的線(xiàn)性失真和不平坦性，如果是儀表內(nèi)置校正方式，也很難應(yīng)對(duì)，但是現(xiàn)場(chǎng)外部校正方式就可以把它們包含在校正數(shù)據(jù)里面，去除這些部分的影響。

　　是德科技5G測(cè)試平臺(tái)集合了高性能硬件平臺(tái)，M8190A和E8267D組成毫米波超寬帶矢量信號(hào)源，M8190A是新一代AXIe模塊化超寬帶任意波形發(fā)生器，每個(gè)通道5GHz帶寬，14bit DAC輸出，具備很好的動(dòng)態(tài)范圍;M8190A的2個(gè)通道輸出連接到E8267D，E8267D是經(jīng)典的微波矢量信號(hào)源，最高頻率到44GHz，通過(guò)毫米波混頻擴(kuò)展也可以支持如110GHz的更高頻率范圍，E8267D的寬帶IQ調(diào)制可以支持2-4GHz調(diào)制帶寬。N9040B/N9041B UXA是是德科技最新的超寬帶X系列信號(hào)分析儀，支持最高到110GHz的連續(xù)掃描頻率范圍，內(nèi)置1GHz分析帶寬，IF輸出支持最高5GHz分析帶寬，可以支持各種5G信號(hào)的解調(diào)和分析，以及各種針對(duì)5G信號(hào)的射頻參數(shù)測(cè)試，比如功率，ACP，SEM和雜散等。

　　Signal Optimizer軟件平臺(tái)是一個(gè)集合5G信號(hào)產(chǎn)生和分析，以及超寬帶系統(tǒng)校正于一體的綜合測(cè)試平臺(tái)，支持各種5G候選波形和自定義OFDM等靈活調(diào)制信號(hào)，并且采用U9391C/F/G系列校準(zhǔn)器實(shí)現(xiàn)業(yè)界獨(dú)特的外部寬度校正，由于U9391是可溯源至NIST的計(jì)量級(jí)校準(zhǔn)器，因此Signal Optimizer可以實(shí)現(xiàn)目前業(yè)界最佳的寬帶校正EVM特性。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第31頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。