無線局域網中的功率放大器測試方案

　　功率放大器測試

　　功率放大器(PA)是WLAN發射器電路中的關鍵組件，因為PA性能會影響無線覆蓋范圍、數據傳輸率容量和電池壽命。任何發射器PA的目標都是盡可能使用很少的DC功率以產生足夠的線性RF輸出功率。當輸出功率增加到放大器的增益壓縮區時，PA性能由于PA非線性失真而可主導WLAN系統級的發射器性能。移動設備與無線熱點通常傳輸基于100mW(+20dBm)與1W(+30dBm)之間的RF輸出功率，且PA必須能產生帶有最少非線性失真的足夠功率。對PA測試而言，一套完整的IEEE 802.11ac特定的發射器驗證測試包括：

　　●頻譜遮罩(Spectrum Mask)

　　●頻譜平坦性

　　●峰值功率

　　●中心頻率誤差

　　●符號時鐘頻率誤差(Symbol Clock Frequency Error)

　　●中心頻率泄露(Center Frequency Leakage)

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

　　本文將進一步擴展EVM測試，該測試是全面且廣泛使用于PA測試的技術。EVM是一項用來量化數字通信信道的性能的測試，并提供捕獲到的編碼數據字符與I/Q星座圖內理想位置的誤差測量。均方根EVM是一項全面性的測量值，在RF信號或設備中的任何缺陷都會使其降低。因此，對WLAN發射器設計而言，PA在其輸出功率與信道頻率的完整操作范圍內，需要可接受的EVM作用。由于802.11ac包括具有2.5%(-32dB)EVM規格限制的256QAM群集，PA線性度和對應的EVM作用必要條件比早期的802.11標準更嚴格，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信號調變具有更高的峰值均值比率(PAR)，也增加在802.11ac發射器設計內的PA其所必要的線性輸出功率。

　　圖1:用于PA測試的測試設備架構圖。

　　圖1顯示使用ZEC儀器Z8201RF測試套件進行PA測試的典型測試設備架構圖。典型的設備清單包括：

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

　　●z8751 6GHz向量信號發生器(Vector Signal Generator,VSG)，可選擇250或500MHz調變頻寬

　　●z5211 200MS/s任意波形發生器

　　●可視需要選用Ladybug科技的LB480A USB功率計

　　●PXI/PXIe機箱與主機電腦

　　●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設定和測量，因此可視需要選用USB功率計與相關定向耦合器。功率計提供以定向耦合器在待測件(DUT)所測得的PA輸入與輸出功率更精確的校正測量值。VSA與VSG通常可準確至<0.5dB,而功率計能準確至<0.1dB.用于衰減器和使用功率計配置時用于定向耦合器的校正因數必須預先校正。

　　PA EVM

　　典型的 PA EVM測試，會通過許多測試頻率測量EVM相對于PA的輸出功率。圖2顯示了使用z8201RF測試套件進行典型PA EVM測試所測得的實際測量數據曲線。這些曲線顯示在輸入功率30dB范圍內，進行測試的全部五個80MHz 802.11ac信道頻率都適用于PA。實際的PA輸出功率使用功率計測得，并將這個數據作為圖2中曲線的水平軸坐標。在這項測試中，有5個信道頻率和30個功率的總計150個測試點。PXI/PIXe高度整合測試設備架構的一項優勢是快速數據傳輸量和處理速度。在150種測試情況下，總測量時間與帶有像LAN或PGIB接口的其他測試設備相比可大幅減少。z8201RF測試套件與zProtocl WLAN軟件為802.11ac測試提供的設置和操作優化的示例編碼，可以保證每個EVM測試都在20ms內完成。

　　探討圖2所顯示的實際PA測試數據時，可發現EVM在高速輸出功率時降低。隨著PA輸出功率增加到其增益壓縮區，非線性失真將會出現，并造成EVM增加。此項EVM功率掃描測試識別出PA的線性功率區，是WLAN發射器設計考量的關鍵因素。需要注意的是，為了實現對802.11ac低于1.5% EVM的臨界值，此特定PA可達到最大+10dBm線性輸出功率;雖然此PA是專為802.11n發射器所設計且工作良好，但對沒有諸如數字預失真的附加線性化技術的802.11ac發射器設計而言，其線性輸出功率會顯得不夠。

　　圖2:PA EVM與輸出功率對比。

　　動態EVM

　　對系統級WLAN發射器設計而言，電池壽命和功率消耗都是重要的考慮因素。因為總系統DC功率的很大一部分是PA發射所消耗的，因此采用多種技術以減少PA功率使用顯得很有必要。相對于DC功率消耗來說，許多PA提供可調整的DC供電電壓，以優化最大的RF輸出功率，且大多數PA可在不使用時，斷電或停用，以節省功率，比如當接收時，或者在傳輸期間介于封包之間時。為了最大化功率效益，PA必須具有快速的開啟與關閉切換時間。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)相關時序與RF信號。注意在此測試設備內將PA EN脈沖與RF信號之間的可調整延遲設定為2.0μs。在PA EN與RF信號之間的時間間隔最小時，DC功率效益最高，但短延遲會加重RF信號的瞬時效應。

　　圖3:PA使能(黃色)與RF脈沖(藍色)的時域曲線。

　　由于PA的供電/斷電操作可造成暫態及熱效應而降低發射器性能，因此常常需要測量被稱為動態EVM的另一項指標。動態EVM通過方波脈沖施加于PA EN以模仿發射器的實際動態工作環境來進行測量。動態EVM的降低是由于PA的瞬態響應影響了封包的起始報頭，并造成了缺陷信道估算。經研究表明具有50%占空比方波的動態EVM比靜態EVM(具有100%占空比)更不適用于PA EN。

　　使用圖1所示的測試設備，通過使用PXI/PXIe系統，動態EVM測試是完全自動化的。使用PXI/PXIe底板觸發器和時鐘信號可實現動態EVM測量的全部時鐘同步化。圖1的塊圖顯示z5211任意波形發生器(AWG)，其產生具有可調整電壓大小、脈沖寬度、脈沖延遲和重復率的PA EN脈沖。實際的PA測試數據如圖4所示，在+18dBm輸出功率以下，動態EVM都比靜態EVM差。對于此特定PA，在+18dBm輸出功率以上，動態EVM比靜態EVM更佳。如之前所述，因為動態EVM可測量PA在實際脈沖工作模式下的PA性能，所以這種典型的PA動態EVM測量對發射器設計考量至關重要。

　　圖4:PA動態EVM與占空比。　　數字預失真

　　在高輸出功率時，改善PA內的線性度是一項挑戰。數字預失真(DPD)是通過數字信號處理技術從本質上消除失真的一種技術。對組合式VSA/VSG測試系統而言，軟件工具可簡化和自動化DPD，比如z8201 RF測試套件。從本質上來說，軟件模型通過VSA來測量PA的非線性，并形成一個相反的運行狀態施加在VSG上。當完成DPD補償時，預失真的VSG RF信號施加于有效線性化PA輸出的PA。

　　一些802.11ac WLAN收發器芯片組采用DPD技術以提高PA線性度。為量化在具有DPD的電路中將會實現的提高，測試設備必須能在PA特性分析期間執行DPD。與z8201RF測試套件和zProtocl WLAN軟件一起，ZEC儀器的DPD軟件工具和對應的示例代碼提供快速而簡易的方法，以評估PA或發射器設計的DPD。因為DPD算法要求VSG/VSA儀器捕獲多個相鄰信道，因此DPD應用要求像z8201RF測試套件這樣的寬測量帶寬。

　　圖5顯示了PA在其非線性區內工作時，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能夠實現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測試套件所得到的實際數據。

　　圖5:使用DPD降低PA相鄰信道泄漏。

　　圖6:使用DPD改善PA EVM

　　測試設備

　　對802.11ac測試而言，測試設備的本底噪聲、相位噪聲、交越失真和帶內雜散信號都必須最小化，以避免降低所測得的PA EVM性能。圖7顯示了在所測得PA DUT EVM上的測試設備殘余EVM的影響。

　　圖7:在所測得DUT EVM上的測試設備殘余EVM的影響。

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

　　圖8:z8201 PXI或PXIe RF測試套件。

　　zProtocol WLAN軟件工具包括圖9所顯示的直觀的圖形使用界面(GUI)，以及便于自動化的綜合性C/C++/LabVIEW軟件驅動程序。Z8201RF測試套件結合zProtocol WLAN軟件，對802.11測試提供完整的解決方案，涵蓋WLAN協議的所有方面，包括：

　　●所有調變頻寬：160 MHz、80 MHz、40 MHz和20 MHz

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

　　●所有信道頻率：2.4GHz和5GHz頻帶

　　●MIMO數據流：×2到×8

　　圖9:zProtocl WLAN測試軟件GUI

　　結論

　　本文探討了新的802.11ac WLAN標準對于PA的設計驗證、特性分析和測試需求。由于802.11ac的PA EVM作用限制大約在1.5%左右，因此PA和RF測試設備需要更好的線性度和動態范圍。本文詳述了一些有助于優化802.11ac中PA測試的技術，這些技術與z8201RF測試套件跟zProtocol WLAN軟件一起共同為802.11ac WLAN發射器設計內的量化PA性能提供了一個完整的解決方案。