如何測量功率放大器性能？為什么EVM和ACPR很重要？一篇文章帶你了解功率放大器測量

G應(yīng)用帶來了通信技術(shù)的革命性變革，在無線通信系統(tǒng)中，功率放大器(Power Amplifier, 簡稱PA)占據(jù)傳輸鏈的最后一級，為天線提供所需的射頻功率，是通信系統(tǒng)中射頻鏈路質(zhì)量的重要貢獻(xiàn)者。如圖1所示。功率放大器(PA)是5G發(fā)射機(jī)傳輸質(zhì)量和電池壽命的關(guān)鍵決定因素。

? 圖1 典型通信射頻傳輸鏈路

在很多表征功率放大器性能的指標(biāo)中，誤差矢量幅度（EVM）和鄰道功率比（ACPR）是最為關(guān)鍵的，EVM和ACPR指標(biāo)可以量化功率放大器的非線性性能。通常使用EVM作為帶內(nèi)失真的考量，而ACPR則用來衡量帶外特性。

什么是 EVM

為什么EVM很重要？EVM 是用于評估通信系統(tǒng)帶內(nèi)失真的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。誤差矢量是特定時間理想?yún)⒖夹盘柵c測量信號之間的矢量差。非理想條件下會使接收和發(fā)送的信號失真，因此量化調(diào)制信號質(zhì)量需要EVM測試。802.11ac和5G NR等標(biāo)準(zhǔn)都設(shè)置了可接受的最低 EVM指標(biāo)。

什么是 ACPR

為什么ACPR很重要？ACPR、相鄰信道功率水平和鄰道泄漏比(ACLR)指的是同一概念，即指定信道上的發(fā)射功率與相鄰信道接收濾波后接收到的功率之比。該指標(biāo)衡量一個信道對另一信道的可能干擾程度。ACPR是用于量化帶外失真特性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。ACPR測試對于UMTS和LTE標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。

隨著系統(tǒng)復(fù)雜性迅速增加，5G傳輸系統(tǒng)需要精確的測量來確保其性能符合更嚴(yán)格的要求。例如，256QAM要求EVM達(dá)到3.5%，而1024QAM 的EVM則需達(dá)到1%。

為什么要測量功率放大器的

非線性性能？

線性度對于具有高峰均比(PAPR)信號的系統(tǒng)至關(guān)重要。射頻鏈路的非線性響應(yīng)直接影響解調(diào)誤差，導(dǎo)致誤碼率變差。此外，非線性會產(chǎn)生頻譜再生，從而導(dǎo)致對其他頻段的干擾，因此保持射頻鏈的線性度對于無線通信的質(zhì)量至關(guān)重要。

對于用寬帶輸入信號激勵的功率放大器，非線性會導(dǎo)致帶內(nèi)和帶外失真產(chǎn)物。雖然工程師通過濾波消除線性失真，而非線性效應(yīng)則難以解決。開發(fā)人員必須量化功率放大器的非線性性能，以確保設(shè)備滿足效率規(guī)范并遵循嚴(yán)格的5G EVM和ACPR標(biāo)準(zhǔn)。本質(zhì)上，強(qiáng)線性度表明功率放大器將放大輸入信號而不會增加失真。

? 圖2 MOD失真應(yīng)用中測量的輸入/輸出頻譜

此外測量功率放大器性能還有助于：

研發(fā)人員驗(yàn)證功率放大器是否滿足系統(tǒng)性能規(guī)范

客戶確定功率放大器是否滿足其5G通信系統(tǒng)要求

評估功率放大器性能及其市場價值

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測量功率放大器線性度的兩種方法——

時域測量與頻域測量

時域和頻域是兩種測量方法。雖然傳統(tǒng)時域測量方法可以滿足之前的需求，但 5G NR 技術(shù)則需要更為精簡且準(zhǔn)確的測量方法。

時 域 測 量

時域測量是指針對時間進(jìn)行的測量。示波器是時域測試設(shè)備的一個典型示例，它測量元器件的電壓和電流（y軸）作為時間（x軸）的函數(shù)。傳統(tǒng)上，功率放大器非線性特性需要使用矢量信號分析儀（VSA）和矢量信號發(fā)生器（VSG）在時域中進(jìn)行測量。

矢量信號發(fā)生器（VSG）向被測設(shè)備(DUT)提供輸入信號，而矢量信號分析儀（VSA）捕獲輸出信號并計算EVM和ACPR等指標(biāo)。我們將此過程稱為VSA方法。

? 圖3 傳統(tǒng)功放測試：VNA用于網(wǎng)絡(luò)分析，VSA用于ACPR、NPR、EVM等測試

這種時域測量方法滿足了過去的通信要求，然而5G FR2系統(tǒng)則要求開發(fā)人員使用毫米波(mmWave)頻譜中極寬的信號帶寬來測量其性能指標(biāo)。由于多種因素，新一代技術(shù)使得VSA法進(jìn)行功率放大器性能測量（尤其是EVM）變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

時域測量的主要挑戰(zhàn) 體現(xiàn)在：

01 無法區(qū)分系統(tǒng)EVM與DUT EVM

信號源完整性直接影響 EVM 結(jié)果。在 VSA 方法中，測試系統(tǒng)的EVM（或殘余EVM）與 DUT EVM 無法區(qū)分。VSA假定測量到的任何誤差均歸因于待測PA。這不僅不準(zhǔn)確，而且隨著 EVM 要求變得越來越嚴(yán)格，它很難準(zhǔn)確評估功率放大器是否符合5G標(biāo)準(zhǔn)。

此外，隨著信號帶寬越來越寬，系統(tǒng)的信噪比(SNR)會下降。噪聲限制了測量中可分辨的最小EVM。低功率水平下的隨機(jī)噪聲也會導(dǎo)致EVM測試的準(zhǔn)確性和可靠性降低。輸入信號的非理想性和接收機(jī)處的寬帶噪聲限制了VSA可測得的最小EVM。

02 校準(zhǔn)挑戰(zhàn)高

VSA 方法的校準(zhǔn)所面臨的問題包括復(fù)雜性、魯棒性、信號保真度和可重復(fù)性。盡管存在多種校準(zhǔn)測試系統(tǒng)的方法，但即使是最先進(jìn)的技術(shù)也可能會出現(xiàn)誤差，尤其是當(dāng)測試信號具有較寬的帶寬且 DUT 失配較大時。

使用不會產(chǎn)生任何非線性失真的信號分析儀對輸入信號進(jìn)行數(shù)字化，可以減小EVM 測量誤差。然而，該解決方案在大帶寬上面臨巨大的實(shí)施挑戰(zhàn)。該解決方案還需要對 VSA 有深入的了解，并且會大大影響整個測量速度。這些校準(zhǔn)方法過程復(fù)雜且受到隨機(jī)誤差的影響。信號保真度給 VSA 方法帶來了另一個問題，因?yàn)檩^高頻率下的電纜損耗和不匹配，導(dǎo)致施加到 DUT 的實(shí)際信號與理想信號存在偏差。

03 所需設(shè)備多、測試時間長

如前所述，傳統(tǒng)的時域表征測量系統(tǒng)需要三個主要設(shè)備：矢量信號分析儀（VSA）、矢量信號發(fā)生器（VSG）和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）。此外，時域表征需要每個儀器都有獨(dú)特的布線和校準(zhǔn)設(shè)備。在 VSA 和 VNA 之間交替進(jìn)行 DUT 參數(shù)測試在硬件、軟件和外圍設(shè)備方面的成本更高。由于重新校準(zhǔn)和連續(xù)切換系統(tǒng)設(shè)置，還增加了設(shè)備測試時間。通過在 E5081A ENA-X VNA 解決方案上使用高達(dá) 44 GHz 的頻域表征，避免了浪費(fèi)寶貴的時間進(jìn)行手動重新配置系統(tǒng)或切換復(fù)雜的基于開關(guān)的系統(tǒng)。

頻 域 測 量

頻域測量是指針對頻率進(jìn)行的測量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是頻域測試設(shè)備的范例，用于測量作為特定頻率（x軸）函數(shù)的信號功率（y軸）。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）是元器件測試和電氣網(wǎng)絡(luò)分析的首選儀器，典型的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）元器件測試包括 S 參數(shù)、增益壓縮和互調(diào)等。

是德科技采用頻域測量方法，即矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 方法， 只需要VSG和ENA-X VNA以及調(diào)制失真（MOD）軟件，而不需要信號分析儀。 VNA 方法改進(jìn)了性能指標(biāo)的評估方法和準(zhǔn)確性，并通過簡化測試設(shè)置將測試周期時間縮短了 50%。

那什么是調(diào)制失真分析

它改進(jìn)了什么？

隨著 5G 開發(fā)的不斷進(jìn)展，功率放大器需要進(jìn)行調(diào)制信號激勵的放大。由于無線標(biāo)準(zhǔn)限制了特定 RF 組件在一定頻率范圍內(nèi)允許的最大雜散發(fā)射，因此開發(fā)人員必須在這些復(fù)雜的調(diào)制方案下進(jìn)行放大器測量，以驗(yàn)證其在這些限制內(nèi)的性能。

調(diào)制失真軟件利用矢量校準(zhǔn)的ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀重新構(gòu)建放大器失真測量，以獲得準(zhǔn)確且可重復(fù)的 EVM 結(jié)果，如圖4所示。MXG 信號發(fā)生器的寬帶輸入信號利用頻譜相關(guān)技術(shù)為DUT提供激勵，MOD應(yīng)用軟件在頻域逐點(diǎn)進(jìn)行輸入、輸出信號的測量。然后，ENA-X 將頻率拼接在一起以實(shí)現(xiàn)寬帶相干測量。測量的輸出信號分解為線性和非線性相關(guān)分量。此時，MOD 失真應(yīng)用軟件在頻域進(jìn)行 EVM 和 ACPR計算。

? 圖4 VNA 上的 EVM 和 ACPR測試

借助調(diào)制失真 (MOD) 軟件，是德科技ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀超越了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀，可以直接測量功率放大器的失真參數(shù)。ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)置一個集成上變頻器以提高靈活性，僅需一臺低頻矢量信號發(fā)生器(VSG)即可進(jìn)行復(fù)雜的寬帶調(diào)制測量。例如，生成 44 GHz 調(diào)制激勵僅需要使用Keysight N5186A MXG 射頻矢量信號發(fā)生器，如圖5所示。

? 圖5 VNA法：利用MXG射頻矢量信號發(fā)生器和ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀的上變頻器路徑

ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀通過全集成、單次連接/多種測量的方式大大降低了頻域測試的復(fù)雜性。用于測量 S 參數(shù)、增益壓縮和噪聲系數(shù)的相同設(shè)置，也可以實(shí)現(xiàn) EVM 和 ACPR測試?？梢酝ㄟ^一次設(shè)置、一次連接和一次“cal-all”校準(zhǔn)來獲取線性和非線性性能參數(shù)。

最佳的測量精度和重復(fù)性

當(dāng)使用 ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀測量非線性 DUT性能時，夾具去嵌入等校準(zhǔn)方法可以將校準(zhǔn)端面移動到 DUT 端面。輸入端口失配和通道功率也是可校正的——就像 IQ 數(shù)據(jù)一樣——在參考平面上產(chǎn)生平坦的輸入信號，并抑制信號ACPR。鑒于這種測量的相干性，每條跡線都相同，從而使 ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)技術(shù)能夠快速提供測量重復(fù)性和輸入信號保真度。

最低的殘余EVM

更寬的系統(tǒng)動態(tài)范圍或更低的本底噪聲使調(diào)制失真（MOD）應(yīng)用軟件可以將DUT造成的失真分離出來。這意味著頻域功率放大器測量可將系統(tǒng)失真和噪聲與 DUT 的 EVM 區(qū)分開來，從而凈化功率放大器測量并獲得功率放大器的真實(shí)性能。

滿足高功率放大器測試

雖然低功率條件足以獲取線性 S 參數(shù)，而增益壓縮和失真測試則需要高功率輸入信號。此外，大多數(shù)功率放大器設(shè)計將在接近飽和的情況下運(yùn)行，以優(yōu)化功率附加效率(PAE)，同時保持整體系統(tǒng)級性能目標(biāo)。在低功率水平下，SNR或噪聲系數(shù)影響EVM最大，在高功率水平下，非線性失真在EVM中占主導(dǎo)地位。

為了完成非線性功率放大器測量，需要一個用于高功率測試裝置的升壓放大器。但在設(shè)置和校準(zhǔn)中增加部件會增加測量的復(fù)雜性和潛在的誤差。ENA-X 的設(shè)計考慮了這些高功率因素的影響。E5081A 網(wǎng)絡(luò)分析儀為高功率功率放大器測試提供接收機(jī)直接接入和接收機(jī)衰減器。

接收機(jī)直接接入

升壓放大器的超高反向隔離 S21，使得利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置進(jìn)行精確的功率放大器 S11 測量具有挑戰(zhàn)性。ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀通過可配置的測試系統(tǒng)架構(gòu)提供內(nèi)部接收機(jī)直接接入作為解決方法，如圖6所示。

可配置的架構(gòu)使開發(fā)人員能夠?qū)⒐β史糯笃?S11信號重新路由，通過升壓放大器直接到達(dá) ENA-X 接收機(jī)。這種靈活性可以在高功率信號條件下進(jìn)行精確的放大器S11測量。

? 圖6 使用2端口E5081A ENA-X網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行高功率放大器測量的典型配置

接收衰減器

測試儀器的內(nèi)部組件功率處理能力是高功率測量的關(guān)鍵考慮因素。高功率水平可能會損壞網(wǎng)絡(luò)分析儀，從而導(dǎo)致昂貴的維修費(fèi)用。通常，高功率放大器測試需要外部衰減器以防止?jié)撛诘慕邮諜C(jī)壓縮所導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確或測試裝置損壞。然而，添加外部裝置會增加測試系統(tǒng)潛在的誤差和校準(zhǔn)復(fù)雜性。為了最大限度地降低儀器損壞和測量誤差的風(fēng)險，ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀提供了內(nèi)置接收衰減器，從而無需外部衰減器。

結(jié)論

由于寬帶信號、復(fù)雜的調(diào)制方案以及日益嚴(yán)格的 EVM 和 ACPR 要求，設(shè)計5G 系統(tǒng)功率放大器面臨著巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的 VSA 表征方法不再滿足設(shè)計工程師的需求。

E5081A ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)制失真解決方案提供了多項(xiàng)功率放大器測量優(yōu)勢，可克服寬帶測量挑戰(zhàn)：

寬動態(tài)范圍，由于本底噪聲較低，因此可實(shí)現(xiàn)低殘余 EVM

輕松校準(zhǔn)矢量校正測量，增強(qiáng)功率放大器輸入端的信號保真度，從而顯著提高測量可重復(fù)性

先進(jìn)的軟件允許在調(diào)制條件下進(jìn)行失真分析

針對任何功率放大器性能測量，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）對于測量線性和非線性性能至關(guān)重要。通過 MOD 應(yīng)用軟件，測試系統(tǒng)可進(jìn)行傳統(tǒng)的 VNA測試、EVM 和 ACPR測試。ENA-X 網(wǎng)絡(luò)分析儀的獨(dú)特架構(gòu)使 RF 開發(fā)人員能夠在單個簡化設(shè)置上執(zhí)行多種多端口測量，從而提高測量精度和可重復(fù)性、縮短測試周期時間并獲得最低的殘留 EVM 結(jié)果。